Alai

Alt jeg beder om er en vellykket opsendelse, et rent radiosignal og et liv, der er lige lang nok til at nå dette mål.

Hvis ballonerne i høj højde bare ikke er høj nok, hvis du føler dig frustreret over tempoet i rumudviklingen, eller hvis du bare virkelig, virkelig godt kan lide raketter og hardware, så synes jeg, at det er en fremragende beslutning at opsende din egen satellit. Men først skal du spørge, hvad du vil have din satellit til at gøre? Her er 7 vigtige ting, du skal vide, før du sender dit personlige rumfartøj ud i kredsløb med 17.000 miles i timen.

Hvad er en picosatellit?

Picosatellitter er pr. definition ekstremt små, lette satellitter. Enhver picosatellit vil normalt have disse centrale komponenter:

• En antenne
• En radiosender til at uploade kommandoer eller downloade dine data
• En computer-on-a-chip som f.eks. en Arduino eller en Basic-X24
• Et strømforsyningssystem, oftest solceller plus et batteri plus en strømbus
• Sensorer

Forfaderen til picoklassen er CubeSat, en open source-arkitektur, der gør det muligt at pakke alt det, man ønsker, ind i en terning på 10 cm × 10 cm × 10 cm × 10 cm.

CubeSat er en satellit, der er lige så sød som et græskar. Forbes rapporterede om en leverandør, Pumpkin Inc, der leverer færdiglavede CubeSats. CubeSat er i sig selv en specifikation og ikke et stykke hardware fra hylden, så Pumpkin besluttede at færdigbygge byggesæt og sælge dem. Hvis du har din egen raket til at opsende din CubeSat på, sælger de dig et CubeSat-kit for 7.500 dollars.

Dette er en god parallel til InterOrbital Systems’ TubeSat. InterOrbital Systems (IOS) har en fordel med hensyn til pris/ydelse, da de lægger opsendelsen oveni for den samme pris. Men det ser ud til, at hverken IOS eller Pumpkin leverer premades, kun byggesæt. Der er altså stadig hobbyarbejde involveret, men byggesæt fjerner behovet for ingeniørarbejde og lader kun den sjove del af samlingen og integrationen stå tilbage.

TubeSat og CubeSat er naturligvis lidt forskellige, og jeg er vanvittigt glad for, at begge fremmer ideen om platformssæt. Det er et stort skridt i retning af at gøre rumforskningen til en vare. Selv om mini-CubeSat’en ligner en Hellraiser Lemarchand-kasse uhyggeligt meget.

Hvor meget koster det at opsende?

Hvis man bygger en CubeSat, er det ikke svært at skaffe en raket til at opsende den på, men blot dyrt. En typisk opsendelse af en CubeSat koster anslået 40.000 dollars. Der er flere kommercielle udbydere, der lover fremtidige CubeSat-raketter, forudsat at de afslutter udviklingen. Forskellige NASA-projekter og projekter vedrørende den internationale rumstation accepterer nogle forslag, der anvender CubeSat-arkitekturen. Der kommer flere virksomheder ind i den private opsendelsesbranche hvert år, så udsigterne til at få en opsendelse bliver mere robuste.

Den TubeSat-arkitektur fra InterOrbital Systems er et alternativt skema. I øjeblikket understøttes det kun af InterOrbital, men det er meget omkostningseffektivt. Man får skematikken, de vigtigste hardwarekomponenter og en opsendelse på deres stadig under udvikling værende raket til en enkelt pris af 8.000 dollars. En TubeSat bruger en lidt længere sekskantet arkitektur, 12 cm i længden og 4 cm i diameter.

Du kan også arbejde med en tilpasset arkitektur, hvis du har adgang til en raketopsendelse (måske gennem et universitet eller en læreanstalt), men i øjeblikket er de to primære aktører den åbne CubeSat-specifikation og det private TubeSat-alternativ.

Hvor er kredsløbet?

Hvor skal din picosatellit hen? Det er næsten givet, at din picosatellit vil gå til lavt kredsløb om jorden (LEO), et bredt bånd, der spænder fra ca. 150 km op til måske 600 km. Det er det område, hvor der også er mange videnskabssatellitter og den internationale rumstation (ISS). Det er i og under ionosfæren, den meget, meget tynde del af atmosfæren, som også er sammenfaldende med en stor del af Jordens magnetfelt.

Jordens magnetfelt afskærmer os fra Solens mest voldsomme aktivitet. Højenergipartikler, flare-emissioner og koronale masseudkast (CME’er; i princippet klatter af sol-stof) bliver afledt af magnetfeltet, før de når jorden. Hvor de magnetiske feltlinjer falder ned nær polerne, kommer denne energi til udtryk som polarlys.

Over ionosfæren kan rummiljøet være fjendtligt på grund af solaktivitet. Under den er strålingsrisikoen meget mindre. Det er derfor, at ISS befinder sig i LEO. LEO er i bund og grund omtrent så sikkert, som rummet kan blive. Det er også der, hvor din picosatellit sandsynligvis vil bo.

En typisk LEO-bane har en periode på ca. 90 minutter. Det vil sige, at den roterer rundt om Jorden en gang hvert 90. minut, hvilket giver ca. 15 kredsløb om dagen. Baner kan være placeret nær Jordens ækvator (ækvatoriale baner) eller i en løkke fra nord- til sydpolen (polære baner). På samme måde kan banerne være næsten cirkulære eller meget excentriske – de kan komme tættere på Jorden i den ene ende af banen og bevæge sig langt væk i den anden ende.

Hvor længe holder min satellit?

Din bane er helt bestemt af, hvad din raketudbyder har solgt dig. På hobbyistniveau vil du højst sandsynligt få en standard 250 km eller deromkring næsten cirkulær bane, enten ækvatorial eller polær. En sådan bane varer (på grund af modstand fra den spinkle ionosfære) fra 3 til 16 uger, før satellitten vil lide et brændende reentry.

På picosatellitmasser betyder det, at din satellit vil gå op og ikke vende tilbage. Du har mindre end tre måneder til at indsamle data. Picosatellitten vil derefter i princippet fordampe pænt ved genindflyvningen (ingen risiko for rumskrot!)

Hvordan er vejret deroppe?

LEO-forhold og levedygtighed

Ionosfæren kaldes sådan, fordi den er et meget tyndt plasma af elektrisk ladede atomer (ioner) og elektroner, som skyldes den ultraviolette (UV) stråling fra solen. Teknisk set strækker den sig fra ca. 50 km og op til over 1.000 km (tak Wikipedia!), men LEO starter ved 150 km – under det kan man ikke opretholde en stabil bane. Ionosfæren er som nævnt drevet af solaktivitet. Den del, der vender ud mod solen, har mere ionisering; også solaktivitet kan styre dens adfærd kraftigt. Der er også dyk i den magnetiske feltlinje, hvilket fører til øget stråling i lavere højder. Vi har nævnt polerne, og regioner som den sydatlantiske anomali (SAA) har også feltlinjer, der falder lavere.

Hvis du sender sensorer op, skal du sikre dig et par ting:

• De har et følsomhedsniveau, der passer til det niveau af signalet, du forsøger at måle.
• De har et dynamisk område, der gør det muligt at udtrække meningsfulde data.

LEO-temperaturer

En metalplade i LEO vil skifte fra -170 °C til 123 °C afhængigt af dens solside og dens tid i sollyset. Hvis din picosatellit drejer rundt, vil dette udjævne varmefordelingen en smule, men det er det område, du skal gå ud fra. En bane har ca. halvdelen af sin tid i sollys og den anden halvdel i Jordens skygge, så temperaturadfærden er værd at modellere.

Da picosatellitten snurrer, er dette område heldigvis mindre (da varmen har tid til at fordele sig og forsvinde), og med en 90-minutters bane bør du cykle gennem tre områder: for koldt til at registrere; overgangsregioner, hvor sensoren returnerer gyldige, langsomt skiftende data; og muligvis overmætning i den høje ende. Du kan tilføje et varmelegeme, hvis det er nødvendigt – satellitter har brugt varmelegeme og køleapparater afhængigt af instrumentet og overfor.

Det er derfor tilstrækkeligt med en termisk sensor (som f.eks. en sensor af mærket microDig Hot), der dækker -40 °C op til 100 °C. Området fra -40°C til 100°C er et muligt område at måle. Under alle omstændigheder kan resten af satellittens elektronik få problemer, hvis den går ud over dette område.

LEO Light

Sådan vil en lysdetekterende sensor for en snurrende picosatellit sandsynligvis kun returnere et binært signal: superlysende sol i sigte og sol ikke i sigte. Så alt, hvad den vil måle, er tidspunktet for, hvornår solen er i syne. Lyssensorernes funktion vil i vid udstrækning være binær, idet de skal opfange sol/mørke-cyklusser, mens den drejer rundt, samt kredsløbets samlede dag/nat-cyklus. Hvis satellitten svinger en smule, er det kun endnu bedre. Disse lyssensorer vil give en grundlæggende måling af satellittens position og dens svingninger. Hvis du ønsker at måle de faktiske lysniveauer, skal dit design sikre, at solen ikke mætter din detektor.

LEO Magnetisk felt

Ionosfæren har en feltstyrke i størrelsesordenen 0,3-0,6 gauss med udsving på 5 %. I et polært kredsløb vil du have større variabilitet og højere magnetfelter end i et ækvatorielt kredsløb (da Jordens magnetfeltlinjer daler nær polerne, deraf auroraerne). Hvis man ønsker at måle fluktuationer og ikke feltstyrken, skal man opfange 0,06-0,1 gauss-signaler. En Hall-effekt-sensor til 10 $ plus en op-forstærker kan måle variationer ned til så lavt som 0,06 gauss, hvis der ikke er et stort eksternt magnetfelt. Under dette vil støjen fra sensorens kredsløb, ikke sensoren, sandsynligvis være den begrænsende faktor.

Hvad med partikelskader (stråling)?

Missionens levetid er kort (mindre end tre måneder), så du behøver ikke at bekymre dig om kumulativ skade. Jeg plejede at lave modeller for strålingsskader tilbage i skolen, og det viser sig, at moderne elektronik er overraskende robust på korte tidsskalaer. Du vil primært have single-event upsets (SEP’er), der forstyrrer en sensor eller computer, men da du sandsynligvis ikke har brug for 100 % oppetid, burde det ikke være noget problem. Faktisk vil fejl og mangler tilføje interessant karakter til dine afledte data. Hvis du skulle støde på f.eks. en solstorm, vil det være interessant at se, hvordan sensorerne håndterer den, enten med mætning eller med spuriøse signaler. En proportional tæller eller en erstatningsækvivalent (som f.eks. en microDig Reach) kan måle disse partikeltællinger.

Og endelig det vigtigste at vide:

Hvad er min mission?

Hvad pokker vil du have din picosatellit til at gøre? Du kan fint opdele de typiske picosatellitvalg i videnskabelige missioner, tekniske missioner og kunstværker. En videnskabelig nyttelast måler ting. En teknisk nyttelast tester hardware eller software. Et kunstprojekt er en instantiering af et højt koncept. Vi vil besøge hver af dem.

Videnskab!

På en videnskabsmission vil din picosatellit måle noget. Videnskab handler i sin kerne om måling. Der er tre typer missioner, du kan lave: pegende missioner, in-situ-missioner og ingeniørbygninger.

En pegende mission er som et teleskop. Din picosatellit peger på et objekt af interesse – solen, månen, stjernerne, himmelbaggrunden eller jorden – og observerer det. Bemærk, at det kræver en licens at pege på Jorden – det er ikke svært at få, men privatlivets fred er beskyttet i hobbyrummet.

Du kan pege tilfældigt, men det virker ikke særlig nyttigt. Du kan indstille en undersøgelsestilstand, hvor din picosatellit får en bestemt orientering i sin bane, så den ved hver bane fejer hen over himlen på en forudsigelig måde. Eller du kan lave aktiv pegning, hvor du får picosatellitten til at se hen, hvor du ønsker det.

Aktiv pegning er ret udfordrende. Du skal kende din position meget nøjagtigt. Brug af inertialreferencer – kendskab til den oprindelige bane plus intern forudsigelse af, hvordan satellitten bevæger sig – er upræcist til sensorpegerformål. Derfor kræver en pegning typisk en eller anden form for stjerne-tracker. Det er to eller flere bredfeltsteleskoper, der tager billeder af himlen og sammenligner dem med et indbygget katalog over kendte lyse referencestjerner.

Stjernesporing er teknisk kompliceret og ligger sandsynligvis uden for en typisk picosatellits vægt- og konstruktionsbegrænsninger. Se dog “Teknik!” nedenfor for mere herom.

En mere almindelig videnskabelig anvendelse af picosatellitter er in-situ-målinger. Dette er brugen af sensorer, der måler det område, som satellitten befinder sig i, uden at det er nødvendigt at pege på den. Et termometer er et perfekt eksempel på en in-situ-detektor. Det måler temperaturen, og du behøver ikke at pege præcist på det for at vide, at det virker.

Andre in-situ-målinger fra LEO kan omfatte det elektriske og magnetiske felt i ionosfæren, lys fra solen eller reflekteret jordglød, måling af ionosfærens tæthed eller sporing af kinematikken i din bane og positionering (hvordan du bevæger dig).

Og måske ønsker du ikke at måle noget videnskabeligt, du ønsker bare at bygge ting. Det er ingeniørarbejde.

Ingeniørarbejde!

En ingeniør-picosatellit bruger platformen til at afprøve nogle nye koncepter for rumhardware eller til at give dig øvelse i at bygge dine egne varianter af kendt rumhardware.

Du kan lave en picosatellit for at afprøve alle hardwarekomponenterne. Et nyt energisystem, en ny positioneringsmetode, en ny type radio- eller relækommunikation, nye sensorer – reelt kan enhver komponent i satellitten bygges og forbedres.

Nogle picosatellitprojekter har omfattet afprøvning – i lille skala – af nye satellitfremdriftskoncepter, lige fra ionmotorer til solsejl. Vil du afprøve en oppustelig rumstation i miniatureformat eller se, om du kan lave en picosatellit, der kan foldes ud for at danne et stort radiobøjningspunkt til amatørradioer? Byg det!

Et andet teknisk motiv kan være at afprøve specifikke komponenter: f.eks. at sammenligne en specialfremstillet elektronikrig med en kommerciel standardkomponent (COTS) for at se, om satellitter (uanset størrelse) kan gøres mere omkostningseffektive. Eller man kan afprøve nye datakomprimeringsmetoder eller alternative metoder til at udføre operationer om bord.

Innovation inden for drift er en delmængde af de tekniske mål, der er værd at udforske yderligere. Picosatellitter kunne bruges til at afprøve koordineringen af en konstellation af satellitter. De kan være prøvebænke for undersøgelser af kredsløbsmekanik eller lære af koordineret satellitdrift. Da de er den billigste måde at få adgang til rummet på, er de fremragende testbænke til prototyper af nye måder at udføre satellitarbejde på, før man går over til missioner til millioner af dollars.

Art Concept!

Sidst er der konceptstykker. Min egen TubeSat “Project Calliope” indsamler in-situ-målinger af ionosfæren og sender dem til Jorden som musik, en proces, der kaldes sonificering. Hensigten er at give en fornemmelse af rytmen og aktivitetsniveauet i rummet snarere end numeriske data, så vi kan få en fornemmelse af, hvordan sol-jord-systemet opfører sig.

Du kan opsende en satellit til at gøre hvad som helst. Send aske til rummet. Send et bønneflag fra Himalaya op. Send din vielsesring i titanium ud i kredsløb. Enhver kunst-, musik- eller kunst/musik/videnskabs-hybrididé er velkommen, for det er din satellit. Du skal bare give den et formål eller en nytteværdi, der rækker ud over blot at kunne opsende din egen satellit.

Solve a Decadal Problem for All of Humanity

Her er en designopgave, hvor du skal opfinde en satellit. Pointen er ikke, om du kan bygge, men om du kan udtænke og skitsere en idé, der er værd at bygge i første omgang.

Vælg et af årtiets mål for jordobservation, heliofysik, astronomi eller planetarisk videnskab, og design et missionskoncept til at opfylde denne opgave ved hjælp af en lille satellitplatform-NASA SMEX eller mindre.

Find din satellit og lav en femminutters præsentation, som du vil præsentere for NASA for at bede om finansiering. Begræns dig til en satellit med et eller to (højst) instrumenter. Her er nogle links til dekadiske referencer:

• http://www.spacepolicyonline.com/national-research-council#decadal
• http://decadal.gsfc.nasa.gov/about.html
• http://science.nasa.gov/about-us/science-strategy/decadal-surveys/
• http://solarsystem.nasa.gov/2013decadal/
• http://sites.nationalacademies.org/SSB/CurrentProjects/SSB_056864
• http://science.nasa.gov/earth-science/decadal-surveys/

Et eksempel på et dekadisk mål, fra jordobservation, kunne være:

Forandringer i iskapper og havniveau. Vil der ske et katastrofalt sammenbrud af de store iskapper, herunder i Grønland og Vestantarktis, og i givet fald hvor hurtigt vil det ske? Hvilket tidsmønster vil stigningen i havniveauet følge heraf?

Et godt pitch kunne omfatte:

• En oversigt over en mission (type/bølgelængde/mål/hvem/omløbsbane)
• Historie over tidligere missioner, der har taget fat på dette
• Liste over ønsket instrumentudrustning: Hvilke instrumenttyper og hvad de hver især måler, samt om der er behov for fokuserende optik
• Opløsningsområde pr. detektor (rumlig, spektral, timing, lysstyrke)
• Overslag over omkostningerne, baseret på sammenligning/analogi med lignende missioner

For at vurdere et godt pitch skal du overveje, om:

• Din mål og din satellit er plausible.
• Din fremgangsmåde synes klart at være den rigtige fremgangsmåde til opgaven.

Dette er færdigheden i både forretningsmæssige og akademiske forslag, hvor du ikke kun skal overbevise publikum om, at du er den rette person til opgaven, men også at selve opgaven er værd at udføre!

Bygning af din egen picosatellit er ikke blot et middel til at nå et mål, men et mål, der er værd at nå i sig selv. Selv hvis du aldrig sender den op, kan de færdigheder og den erfaring, du får ved at lave din egen rigtige satellit, være en fantastisk oplevelse.

Denne artikel er tilpasset fra DIY Satellite Platforms and DIY Instruments for Amateur Space af Sandy Antunes. Denne serie, som også omfatter Surviving Orbit the DIY Way, er en dybtgående og brugervenlig ressource for kommende rumfartøjsbyggere, som kan fås hos Maker Shed på makershed.com. Hold øje med den fjerde bog i serien, DIY Data Communication for Amateur Spacecraft, som kommer til sommer.