Alai

Alles, was ich will, ist ein erfolgreicher Start, ein sauberes Funksignal und eine Lebensdauer, die gerade lang genug ist, um dieses Ziel zu erreichen.

Wenn Ihnen Höhenballons nicht hoch genug sind, wenn Sie vom Tempo der Raumfahrtentwicklung frustriert sind oder wenn Sie Raketen und Hardware einfach sehr, sehr mögen, dann ist der Start eines eigenen Satelliten eine ausgezeichnete Entscheidung. Aber zuerst: Was soll Ihr Satellit können? Hier sind 7 wichtige Dinge, die Sie wissen müssen, bevor Sie Ihr persönliches Raumschiff mit 17.000 Meilen pro Stunde in die Umlaufbahn schießen.

Was ist ein Picosatellit?

Picosatelliten sind per Definition extrem kleine, leichte Satelliten. Jeder Picosatellit hat in der Regel diese Kernkomponenten:

• Eine Antenne
• Ein Funksender für das Hochladen von Befehlen oder das Herunterladen von Daten
• Ein Computer-on-a-Chip wie ein Arduino oder ein Basic-X24
• Ein Energiesystem, meist Solarzellen plus eine Batterie plus ein Energiebus
• Sensoren

Der Vorläufer der Pico-Klasse ist der CubeSat, eine Open-Source-Architektur, mit der man alles in den 10cm × 10cm × 10cm großen Würfel packen kann.

Der CubeSat ist ein Satellit so niedlich wie ein Kürbis. Forbes berichtete über einen Anbieter, Pumpkin Inc, der vorgefertigte CubeSats anbietet. Der CubeSat selbst ist eine Spezifikation, kein Stück Hardware von der Stange, also hat Pumpkin beschlossen, Bausätze zu bauen und zu verkaufen. Wenn Sie eine eigene Rakete haben, mit der Sie Ihren CubeSat starten wollen, verkaufen sie Ihnen für 7.500 $ einen CubeSat-Bausatz.

Dies entspricht genau dem TubeSat von InterOrbital Systems. InterOrbital Systems (IOS) hat einen Preis-/Leistungsvorteil, da sie den Start zum gleichen Preis anbieten. Aber es sieht so aus, als ob weder IOS noch Pumpkin Fertigprodukte anbieten, sondern nur Bausätze. Es gibt also immer noch Bastelarbeit, aber mit den Bausätzen entfällt die Notwendigkeit der Konstruktion, und es bleibt nur der spaßige Teil der Montage und Integration.

TubeSats und CubeSats unterscheiden sich natürlich geringfügig voneinander, und ich freue mich wahnsinnig, dass beide die Idee der Plattformbausätze vorantreiben. Das ist ein großer Schritt in der Kommerzialisierung der Weltraumforschung. Auch wenn der Mini-CubeSat einer Hellraiser-Lemarchand-Box unheimlich ähnlich sieht.

Wie viel kostet ein Start?

Wenn man einen CubeSat baut, ist die Beschaffung einer Rakete für den Start nicht schwierig, nur teuer. Die Kosten für einen typischen CubeSat-Start werden auf 40.000 $ geschätzt. Es gibt mehrere kommerzielle Anbieter, die zukünftige CubeSat-Raketen versprechen, vorausgesetzt, sie schließen die Entwicklung ab. Verschiedene Projekte der NASA und der Internationalen Raumstation akzeptieren einige Vorschläge, die die CubeSat-Architektur nutzen. Jedes Jahr steigen mehr Unternehmen in das private Startgeschäft ein, so dass die Aussichten auf einen Start immer besser werden.

Die TubeSat-Architektur von InterOrbital Systems ist ein alternatives Schema. Sie wird derzeit nur von InterOrbital unterstützt und ist sehr kostengünstig. Sie erhalten die Schemata, die wichtigsten Hardware-Komponenten und einen Start mit der noch in der Entwicklung befindlichen Rakete zum Preis von nur 8.000 Dollar. Ein TubeSat verwendet eine etwas längere sechseckige Architektur mit 12 cm Länge und 4 cm Durchmesser.

Sie können auch mit einer kundenspezifischen Architektur arbeiten, wenn Sie Zugang zu einem Raketenstart haben (z. B. über eine Hochschule oder Universität), aber derzeit sind die beiden Hauptakteure die offene CubeSat-Spezifikation und die private TubeSat-Alternative.

Wo ist die Umlaufbahn?

Wo wird Ihr Picosatellit fliegen? Es ist fast selbstverständlich, dass Ihr Picosatellit in die niedrige Erdumlaufbahn (LEO) geht, ein breites Band, das von etwa 150 km bis zu vielleicht 600 km reicht. In diesem Bereich befinden sich auch viele Wissenschaftssatelliten und die Internationale Raumstation (ISS). Sie befindet sich in und unterhalb der Ionosphäre, dem sehr, sehr dünnen Teil der Atmosphäre, in dem sich auch ein Großteil des Erdmagnetfeldes befindet.

Das Erdmagnetfeld schirmt uns von den heftigsten Aktivitäten der Sonne ab. Hochenergetische Teilchen, Flare-Emissionen und koronale Massenauswürfe (CMEs; im Grunde genommen Klumpen aus Sonnenmaterial) werden durch das Magnetfeld abgelenkt, bevor sie den Boden erreichen können. Dort, wo die Magnetfeldlinien in der Nähe der Pole abfallen, äußert sich diese Energie in Form von Polarlichtern.

Oben in der Ionosphäre kann die Weltraumumgebung aufgrund der Sonnenaktivität lebensfeindlich sein. Unterhalb der Ionosphäre ist das Strahlungsrisiko wesentlich geringer. Aus diesem Grund befindet sich die ISS im LEO. LEO ist im Grunde so sicher wie der Weltraum nur sein kann. Dort wird auch Ihr Picosatellit wahrscheinlich leben.

Eine typische LEO-Umlaufbahn hat eine Periode von etwa 90 Minuten. Das bedeutet, dass er sich alle 90 Minuten einmal um die Erde dreht und dabei etwa 15 Umläufe pro Tag macht. Die Umlaufbahnen können sich in der Nähe des Erdäquators befinden (äquatoriale Umlaufbahnen) oder eine Schleife zwischen Nord- und Südpol bilden (polare Umlaufbahnen). Ebenso können die Bahnen nahezu kreisförmig oder stark exzentrisch sein, d. h. sich an einem Ende der Bahn der Erde annähern und am anderen Ende weit von ihr entfernen.

Wie lange wird mein Satellit halten?

Ihre Umlaufbahn hängt ganz davon ab, was Ihnen Ihr Raketenanbieter verkauft hat. Als Hobbyist werden Sie höchstwahrscheinlich eine fast kreisförmige Standardbahn von 250 km oder so erhalten, entweder äquatorial oder polar. Eine solche Umlaufbahn dauert (wegen des Luftwiderstands der dünnen Ionosphäre) zwischen 3 und 16 Wochen, bevor der Satellit einen feurigen Wiedereintritt erleidet.

Bei Pikosatellitenmassen bedeutet dies, dass Ihr Satellit aufsteigt und nicht zurückkehrt. Sie haben weniger als drei Monate Zeit, um Daten zu sammeln. Der Picosatellit verdampft dann beim Wiedereintritt (kein Risiko durch Weltraumschrott!)

Wie ist das Wetter dort oben?

LEO-Bedingungen und Lebensfähigkeit

Die Ionosphäre heißt so, weil sie ein sehr dünnes Plasma aus elektrisch geladenen Atomen (Ionen) und Elektronen ist, das durch die ultraviolette (UV) Strahlung der Sonne entsteht. Technisch gesehen erstreckt sie sich von etwa 50 km bis zu über 1.000 km (danke Wikipedia!), aber LEO beginnt bei 150 km – darunter kann man keine stabile Umlaufbahn aufrechterhalten. Die Ionosphäre wird, wie bereits erwähnt, von der Sonnenaktivität beeinflusst. Der Teil, der der Sonne zugewandt ist, ist stärker ionisiert; außerdem kann die Sonnenaktivität ihr Verhalten stark beeinflussen. Es gibt auch Einbrüche in der Magnetfeldlinie, die zu einer erhöhten Strahlung in niedrigeren Höhen führen. Wir haben die Pole erwähnt, und Regionen wie die Südatlantische Anomalie (SAA) haben ebenfalls Feldlinien, die tiefer einfallen.

Wenn Sie Sensoren hochschicken, sollten Sie einige Dinge sicherstellen:

• Sie haben eine Empfindlichkeitsstufe, die dem Signal entspricht, das Sie zu messen versuchen.
• Sie haben einen dynamischen Bereich, der es Ihnen ermöglicht, aussagekräftige Daten zu extrahieren.

LEO-Temperaturen

Eine Metallplatte im LEO schwankt zwischen -170°C und 123°C, je nach der Sonnenseite und der Zeit im Sonnenlicht. Wenn sich Ihr Pikosatellit dreht, wird die Wärmeverteilung etwas gleichmäßiger, aber das ist der Bereich, von dem man ausgehen kann. Da sich der Picosatellit dreht, ist dieser Bereich glücklicherweise kleiner (da die Wärme Zeit hat, sich zu verteilen und abzuführen), und bei einer 90-minütigen Umlaufzeit sollten Sie drei Bereiche durchlaufen: zu kalt, um registriert zu werden; Übergangsbereiche, in denen der Sensor gültige, sich langsam ändernde Daten liefert; und möglicherweise Übersättigung am oberen Ende. Sie können bei Bedarf eine Heizung hinzufügen – Satelliten haben je nach Instrument und Ausrichtung Heiz- und Kühlvorrichtungen verwendet.

Ein thermischer Sensor (z. B. ein Sensor der Marke microDig Hot), der einen Bereich von -40 °C bis 100 °C abdeckt, ist daher ausreichend. Der Bereich von -40°C bis 100°C ist ein praktikabler Bereich zum Messen. Außerhalb dieses Bereichs könnte die übrige Satellitenelektronik Probleme bekommen.

LEO-Licht

Auch ein Lichtsensor für einen sich drehenden Pikosatelliten wird wahrscheinlich nur ein binäres Signal liefern: superhelle Sonne in Sicht und Sonne nicht in Sicht. Alles, was er messen wird, ist also der Zeitpunkt, zu dem die Sonne im Blickfeld ist. Die Funktion der Lichtsensoren wird weitgehend binär sein, um die Sonne-Dunkel-Zyklen während des Umlaufs sowie den gesamten Tag-Nacht-Zyklus der Umlaufbahn zu erfassen. Wenn der Satellit dabei leicht taumelt, ist das umso besser. Diese Lichtsensoren liefern ein grundlegendes Maß für die Position und das Taumeln des Satelliten. Wenn Sie tatsächliche Lichtstärken messen wollen, müssen Sie sicherstellen, dass die Sonne Ihren Detektor nicht sättigt.

LEO-Magnetfeld

Die Ionosphäre hat eine Feldstärke in der Größenordnung von 0,3-0,6 Gauß, mit Schwankungen von 5%. Auf einer polaren Umlaufbahn sind die Schwankungen größer und die Magnetfelder stärker als auf einer äquatorialen Umlaufbahn (da die Magnetfeldlinien der Erde in der Nähe der Pole abfallen, daher die Polarlichter). Wenn Sie die Fluktuation und nicht die Feldstärke messen wollen, müssen Sie Signale von 0,06-0,1 Gauss erfassen. Ein 10-Dollar-Halleffektsensor und ein Operationsverstärker können Schwankungen bis hinunter zu 0,06 Gauß messen, wenn kein großes äußeres Magnetfeld vorhanden ist. Darunter ist wahrscheinlich das Rauschen der Sensorschaltungen und nicht der Sensor der begrenzende Faktor.

Was ist mit Partikelschäden (Strahlung)?

Die Lebensdauer der Mission ist kurz (weniger als drei Monate), so dass Sie sich keine Sorgen über kumulative Schäden machen müssen. Ich habe mich in der Schule mit Modellen für Strahlenschäden beschäftigt, und es hat sich gezeigt, dass moderne Elektronik auf kurzen Zeitskalen erstaunlich robust ist. In erster Linie werden Sie einmalige Störungen (SEPs) haben, die einen Sensor oder Computer durcheinander bringen, aber da Sie wahrscheinlich keine 100 %ige Betriebszeit benötigen, sollte das kein Problem sein. Vielmehr werden Störungen den abgeleiteten Daten einen interessanten Charakter verleihen. Sollten Sie z. B. auf einen Sonnensturm treffen, wird es interessant sein zu sehen, wie die Sensoren damit umgehen, entweder mit Sättigung oder mit Störsignalen. Ein Proportionalzähler oder ein gleichwertiger Ersatz (wie ein microDig Reach) kann diese Teilchenzahlen messen.

Und schließlich das Wichtigste:

Was ist meine Mission?

Was soll Ihr Picosatellit eigentlich tun? Man kann die typischen Aufgaben eines Picosatelliten sauber in wissenschaftliche Missionen, technische Missionen und Kunstwerke unterteilen. Eine wissenschaftliche Nutzlast misst Dinge. Eine technische Nutzlast testet Hardware oder Software. Ein Kunstprojekt verwirklicht ein hohes Konzept. Wir werden uns alle ansehen.

Wissenschaft!

Bei einer wissenschaftlichen Mission wird Ihr Picosatellit etwas messen. In der Wissenschaft geht es im Kern um Messungen. Es gibt drei Arten von Missionen: Ausrichtungsmissionen, In-situ-Missionen und technische Missionen.

Eine Ausrichtungsmission ist wie ein Teleskop. Ihr Picosatellit richtet sich auf ein Objekt von Interesse – die Sonne, den Mond, die Sterne, den Himmelshintergrund oder die Erde – und beobachtet es. Beachten Sie, dass für das Ausrichten auf die Erde eine Lizenz erforderlich ist – nicht schwer zu bekommen, aber die Privatsphäre ist im Hobbybereich geschützt.

Sie können nach dem Zufallsprinzip ausrichten, aber das scheint nicht sehr nützlich zu sein. Sie können einen Vermessungsmodus einstellen, bei dem Ihr Picosatellit eine bestimmte Ausrichtung in seiner Umlaufbahn erhält, so dass er bei jeder Umrundung in einer vorhersehbaren Weise über den Himmel streicht. Oder Sie können den Picosatelliten aktiv ausrichten und ihn dorthin bringen, wo Sie ihn haben wollen.

Das aktive Ausrichten ist eine ziemliche Herausforderung. Man muss seine Position sehr genau kennen. Die Verwendung von Trägheitsreferenzen – die Kenntnis der anfänglichen Umlaufbahn und die interne Vorhersage, wie sich der Satellit bewegt – ist für die Zwecke der Sensorausrichtung ungenau. Daher werden für die Ausrichtung in der Regel eine Art von Star-Tracker benötigt. Dabei handelt es sich um zwei oder mehr Weitwinkelteleskope, die den Himmel abbilden und mit einem an Bord befindlichen Katalog bekannter heller Referenzsterne vergleichen.

Die Sternverfolgung ist technisch komplex und übersteigt wahrscheinlich das Gewicht und die Konstruktionsgrenzen eines typischen Pikosatelliten. Siehe jedoch „Technik!“ weiter unten, um mehr darüber zu erfahren.

Eine häufigere wissenschaftliche Verwendung von Picosatelliten sind In-situ-Messungen. Dabei handelt es sich um die Verwendung von Sensoren, die die Region messen, in der sich der Satellit befindet, ohne dass eine Ausrichtung erforderlich ist. Ein Thermometer ist ein perfektes Beispiel für einen In-situ-Detektor. Es misst die Temperatur, und man muss es nicht genau ausrichten, um zu wissen, dass es funktioniert.

Andere In-situ-Messungen vom LEO aus können das elektrische und magnetische Feld in der Ionosphäre, Licht von der Sonne oder reflektiertes Erdlicht, die Messung der Ionosphärendichte oder die Verfolgung der Kinematik Ihrer Umlaufbahn und Positionierung (wie Sie sich bewegen) umfassen.

Oder vielleicht wollen Sie etwas nicht wissenschaftlich messen, sondern einfach nur etwas bauen. Das ist Ingenieurwesen.

Ingenieurwesen!

Ein technischer Picosatellit dient als Plattform, um neue Raumfahrt-Hardware-Konzepte auszuprobieren oder um den Bau eigener Varianten bekannter Raumfahrt-Hardware zu üben.

Sie können einen Picosatelliten bauen, um beliebige Hardware-Komponenten zu testen. Ein neues Stromversorgungssystem, eine neue Positionierungsmethode, eine neue Art der Funk- oder Relaiskommunikation, neue Sensoren – wirklich jede Komponente des Satelliten kann gebaut und verbessert werden.

Bei einigen Picosatelliten-Projekten wurden in kleinem Maßstab neue Antriebskonzepte für Satelliten getestet, von Ionentriebwerken bis zu Sonnensegeln. Möchten Sie eine aufblasbare Raumstation im Miniaturformat testen oder herausfinden, ob Sie einen Pikosatelliten bauen können, der sich zu einem großen Amateurfunk-Sendepunkt entfaltet? Dann bauen Sie ihn!

Ein anderes Motiv für Ingenieure kann darin bestehen, bestimmte Komponenten zu testen: Sie können zum Beispiel eine speziell angefertigte elektronische Anlage mit einer handelsüblichen Komponente vergleichen, um festzustellen, ob Satelliten (egal welcher Größe) kostengünstiger gebaut werden können. Oder man kann neue Datenkompressionsmethoden oder alternative Methoden für den Betrieb an Bord testen.

Innovationen im Betrieb sind eine Untergruppe der technischen Ziele, die es wert sind, weiter erforscht zu werden. Pikosatelliten könnten verwendet werden, um die Koordination einer Satellitenkonstellation zu testen. Sie können als Prüfstand für Studien der Orbitalmechanik oder als Lehrstück für den koordinierten Satellitenbetrieb dienen. Da sie der billigste Weg sind, um Zugang zum Weltraum zu erhalten, sind sie ausgezeichnete Prüfstände für die Erprobung neuer Wege der Satellitenarbeit, bevor man zu millionenschweren Missionen übergeht.

Kunstkonzept!

Schließlich gibt es Konzeptteile. Mein eigener TubeSat „Project Calliope“ sammelt Messungen der Ionosphäre vor Ort und überträgt sie als Musik zur Erde, ein Prozess, der Sonifikation genannt wird. Die Absicht ist, ein Gefühl für den Rhythmus und das Aktivitätsniveau des Weltraums zu vermitteln, und nicht nur numerische Daten, damit wir ein Gefühl dafür bekommen, wie sich das Sonne-Erde-System verhält.

Du kannst einen Satelliten starten, um alles zu tun. Schicken Sie Asche ins All. Eine Gebetsfahne aus dem Himalaya hochschicken. Schicken Sie Ihren Ehering aus Titan in den Orbit. Jede Kunst-, Musik- oder Kunst/Musik/Wissenschafts-Hybrididee ist willkommen, denn es ist dein Satellit. Geben Sie ihm nur einen Zweck oder einen Nutzen, der über das Spektakel hinausgeht, Ihren eigenen Satelliten starten zu können.

Lösen Sie ein dekadisches Problem für die gesamte Menschheit

Hier ist eine Designaufgabe, bei der Sie einen Satelliten erfinden sollen. Es geht nicht darum, ob Sie einen Satelliten bauen können, sondern darum, ob Sie eine Idee entwickeln und skizzieren können, die es wert ist, überhaupt gebaut zu werden.

Wählen Sie eines der dekadischen Ziele für die Erdbeobachtung, Heliophysik, Astronomie oder Planetenforschung aus und entwerfen Sie ein Missionskonzept, um diese Aufgabe mit einer kleinen Satellitenplattform – NASA SMEX oder kleiner – zu erfüllen.

Erfinden Sie Ihren Satelliten und machen Sie eine fünfminütige Präsentation, die Sie der NASA vorlegen würden, um um eine Finanzierung zu bitten. Beschränken Sie sich auf einen Satelliten mit einem oder zwei (höchstens) Instrumenten. Hier sind einige dekadische Referenzlinks:

• 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/

Ein Beispiel für ein dekadisches Ziel im Bereich der Erdbeobachtung könnte sein:

Veränderung der Eisschilde und des Meeresspiegels. Wird es zu einem katastrophalen Zusammenbruch der großen Eisschilde kommen, einschließlich derer von Grönland und der Westantarktis, und wenn ja, wie schnell wird dies geschehen? Wie wird der Meeresspiegelanstieg in der Folge zeitlich verlaufen?

Ein guter Vorschlag könnte enthalten:

• Eine Übersichtstabelle über die Mission (Typ/Wellenlänge/Ziel/Wer/Orbit)
• Geschichte früherer Missionen, die sich mit diesem Thema befasst haben
• Liste der gewünschten Instrumentenauslastung: Welche Instrumententypen und was sie jeweils messen und ob eine fokussierende Optik benötigt wird
• Auflösungsbereich pro Detektor (räumlich, spektral, zeitlich, Helligkeit)
• Kostenschätzung, basierend auf einem Vergleich/einer Analogie zu ähnlichen Missionen

Um ein gutes Angebot zu bewerten, prüfen Sie, ob:

• Ihr Ziel und Ihr Satellit plausibel sind.
• Ihr Ansatz scheint eindeutig der richtige Ansatz für die Aufgabe zu sein.

Dies ist die Kunst sowohl bei geschäftlichen als auch bei akademischen Vorschlägen, bei denen Sie das Publikum nicht nur davon überzeugen müssen, dass Sie die richtige Person für die Aufgabe sind, sondern auch davon, dass die Aufgabe selbst es wert ist, durchgeführt zu werden!

Der Bau eines eigenen Picosatelliten ist nicht nur ein Mittel zum Zweck, sondern ein lohnendes Ziel. Selbst wenn Sie ihn nie starten, können die Fähigkeiten und Erfahrungen, die Sie beim Bau Ihres eigenen Satelliten sammeln, eine großartige Erfahrung sein.

Dieser Artikel stammt aus dem Buch DIY Satellite Platforms and DIY Instruments for Amateur Space von Sandy Antunes. Diese Reihe, zu der auch Surviving Orbit the DIY Way gehört, ist eine umfassende und benutzerfreundliche Ressource für angehende Raumfahrzeugbauer, die im Maker Shed unter makershed.com erhältlich ist. Das vierte Buch der Reihe, DIY Data Communication for Amateur Spacecraft, wird diesen Sommer erscheinen.