Alai

Tutto ciò che chiedo è un lancio di successo, un segnale radio pulito, e una vita abbastanza lunga per raggiungere questo obiettivo.

Se i palloni ad alta quota non sono abbastanza alti, se ti senti frustrato dal ritmo dello sviluppo spaziale, o se semplicemente ti piacciono molto, molto i razzi e l’hardware, penso che lanciare il tuo satellite sia un’ottima decisione. Ma prima, cosa volete che faccia il vostro satellite? Ecco 7 cose chiave che dovete sapere prima di lanciare il vostro veicolo spaziale personale in orbita a 17.000 miglia all’ora.

Cos’è un picosatellite?

I picosatelliti, per definizione, sono satelliti estremamente piccoli e leggeri. Qualsiasi picosatellite tenderà ad avere questi componenti principali:

• Un’antenna
• Un trasmettitore radio per trasmettere i comandi o scaricare i dati
• Un computer-on-a-chip come un Arduino o un Basic-X24
• Un sistema di alimentazione, più spesso celle solari più una batteria più un bus di alimentazione
• Sensori

Il capostipite della classe pico è il CubeSat, un’architettura open source che ti permette di impacchettare qualsiasi cosa tu voglia nel cubo di 10cm × 10cm × 10cm.

Il CubeSat è un satellite carino come una zucca. Forbes ha riferito di un fornitore, Pumpkin Inc. che fornisce CubeSat già pronti. CubeSat stesso è una specifica, non un pezzo di hardware off-the-shelf, così Pumpkin ha deciso di pre-costruire kit e venderli. Se hai il tuo razzo su cui lanciare il tuo CubeSat, per 7.500 dollari ti vendono un kit CubeSat.

Questo è un chiaro parallelo al TubeSat di InterOrbital Systems. InterOrbital Systems (IOS) ha il vantaggio nel rapporto prezzo/prestazioni, dato che aggiungono il lancio per lo stesso costo. Ma sembra che né IOS né Pumpkin forniscano premade, solo kit. Quindi c’è ancora un lavoro da hobbista coinvolto, ma i kit rimuovono la necessità di ingegneria e lasciano solo la parte divertente del montaggio e dell’integrazione.

TubeSat e CubeSat sono leggermente diversi, naturalmente, e sono follemente contento che entrambi stanno avanzando l’idea dei kit di piattaforma. Questo è un grande passo nella mercificazione della ricerca spaziale. Anche se il mini CubeSat sembra stranamente simile a una scatola di Hellraiser Lemarchand.

Quanto costa il lancio?

Se si costruisce un CubeSat, assicurarsi un razzo su cui lanciarlo non è difficile, è solo costoso. Un tipico costo di lancio del CubeSat è stimato in 40.000 dollari. Ci sono diversi fornitori commerciali che promettono futuri razzi CubeSat, ammesso che completino lo sviluppo. Vari progetti della NASA e della Stazione Spaziale Internazionale accettano alcune proposte che utilizzano l’architettura CubeSat. Ci sono più compagnie che entrano nel business dei lanci privati ogni anno, quindi le prospettive di ottenere un lancio stanno diventando più solide.

L’architettura TubeSat di InterOrbital Systems è uno schema alternativo. Attualmente supportato solo da InterOrbital, è molto conveniente. Si ottengono gli schemi, i principali componenti hardware e un lancio sul loro razzo ancora in sviluppo per il solo prezzo di 8.000 dollari. Un TubeSat usa un’architettura esagonale leggermente più lunga, 12 cm di lunghezza e 4 cm di diametro.

Si può anche lavorare con un’architettura personalizzata se si ha accesso a un razzo di lancio (attraverso un college o un’università, forse), ma attualmente i due principali attori sono la specifica aperta CubeSat e l’alternativa privata TubeSat.

Dove è l’orbita?

Dove andrà il vostro picosatellite? È quasi scontato che il tuo picosatellite andrà in orbita terrestre bassa (LEO), un’ampia fascia che va da circa 150 km fino a forse 600 km. Questa è la regione che ha anche molti satelliti scientifici e la Stazione Spaziale Internazionale (ISS). È dentro e sotto la ionosfera, la parte molto, molto sottile dell’atmosfera che coincide anche con gran parte del campo magnetico terrestre.

Il campo magnetico terrestre ci protegge dall’attività più feroce del Sole. Le particelle ad alta energia, le emissioni dei flare e le espulsioni di massa coronale (CME; fondamentalmente blob di roba del Sole) vengono deviate dal campo magnetico prima che possano raggiungere la terra. Dove le linee del campo magnetico si immergono vicino ai poli, questa energia si esprime come l’aurora.

Al di sopra della ionosfera, l’ambiente spaziale può essere ostile a causa dell’attività solare. Al di sotto di essa, i rischi di radiazioni sono molto più bassi. Questo è il motivo per cui la ISS è tenuta in LEO. LEO è, in fondo, quanto di più sicuro possa esserci nello spazio. È anche dove il vostro picosatellite probabilmente vivrà.

Una tipica orbita LEO ha un periodo di circa 90 minuti. Cioè, ruota intorno alla Terra una volta ogni 90 minuti, facendo circa 15 orbite al giorno. Le orbite possono essere posizionate vicino all’equatore della Terra (orbite equatoriali) o girare dal Polo Nord al Polo Sud (orbite polari). Allo stesso modo, le orbite possono essere quasi circolari, o essere altamente eccentriche – avvicinandosi alla Terra ad un’estremità dell’orbita, e poi allontanandosi dall’altra.

Quanto durerà il mio satellite?

La tua orbita è interamente determinata da ciò che il tuo fornitore di razzi ti ha venduto. A livello hobbistico, molto probabilmente otterrete un’orbita standard di 250 km circa quasi circolare, equatoriale o polare. Tale orbita dura (a causa della resistenza della tenue ionosfera) da 3 a 16 settimane prima che il satellite subisca un rientro infuocato.

Alla massa dei picosatelliti, questo significa che il vostro satellite salirà e non tornerà. Avete meno di tre mesi per raccogliere dati. Il picosatellite poi, essenzialmente, si vaporizzerà ordinatamente al rientro (nessun rischio di spazzatura spaziale!)

Com’è il tempo lassù?

Condizioni LEO e vitalità

La ionosfera è chiamata così perché è un plasma molto sottile di atomi elettricamente carichi (ioni) ed elettroni, dovuto alla radiazione ultravioletta (UV) del Sole. Tecnicamente si estende da circa 50 km fino a oltre 1.000 km (grazie Wikipedia!), ma LEO inizia a 150 km – al di sotto, non è possibile mantenere un’orbita stabile. La ionosfera, come detto, è guidata dall’attività solare. La parte rivolta verso il Sole ha più ionizzazione; inoltre, l’attività solare può guidare fortemente il suo comportamento. Ci sono anche cali nella linea del campo magnetico, che portano ad aumenti di radiazioni ad altitudini inferiori. Abbiamo menzionato i poli, e regioni come la South Atlantic Anomaly (SAA) hanno anche linee di campo che si immergono più in basso.

Se stai mandando su dei sensori, vorrai assicurarti un paio di cose:

• Hanno un livello di sensibilità adeguato al livello di segnale che stai cercando di misurare.
• Hanno una gamma dinamica che ti permette di estrarre dati significativi.

Temperature LEO

Una piastra metallica in LEO passerà da -170°C a 123°C a seconda della sua faccia solare e del suo tempo alla luce del sole. Se il vostro picosatellite sta girando, questo uniformerà un po’ la distribuzione del calore, ma questa è la gamma da assumere. Un’orbita ha circa la metà del suo tempo alla luce del sole e l’altra metà all’ombra della Terra, quindi vale la pena modellare il comportamento della temperatura.

Siccome il picosatellite sta girando, questo intervallo è fortunatamente più piccolo (poiché il calore ha il tempo di distribuirsi e dissiparsi), e con un’orbita di 90 minuti, si dovrebbe passare attraverso tre intervalli: troppo freddo per registrare; regioni di transizione in cui il sensore restituisce dati validi, che cambiano lentamente; e forse sovrasaturazione nella parte alta. Puoi aggiungere un riscaldatore se necessario – i satelliti hanno usato riscaldatori e raffreddatori a seconda dello strumento e del rivestimento.

Quindi, un sensore termico (come un sensore di marca microDig Hot) che copre da -40°C fino a 100°C sarà sufficiente. L’intervallo da -40°C a 100°C è un’area fattibile da misurare. In ogni caso, passato questo intervallo, il resto dell’elettronica del satellite potrebbe avere problemi.

LEO Light

Analogamente, un sensore che rileva la luce, per un picosatellite che gira, è probabile che restituisca solo un segnale binario: Sole super-luminoso in vista e Sole non in vista. Quindi tutto ciò che misurerà è il tempo di quando il Sole è in vista. La funzione dei sensori di luce sarà in gran parte binaria, per catturare i cicli Sole-scuro mentre gira, così come il ciclo complessivo giorno/notte dell’orbita. Se c’è una leggera oscillazione del satellite, tanto meglio. Questi sensori di luce forniranno una misura di base della posizione del satellite e del suo barcollamento. Se vuoi misurare i livelli effettivi di luce, il tuo progetto dovrà garantire che il Sole non saturi il tuo rilevatore.

Campo magnetico LEO

La ionosfera ha un’intensità di campo dell’ordine di 0,3-0,6 gauss, con fluttuazioni del 5%. Per un’orbita polare, avrete una maggiore variabilità e campi magnetici più alti di un’orbita equatoriale (poiché le linee del campo magnetico terrestre si immergono vicino ai poli, da cui le aurore). Se si vuole misurare la fluttuazione, non l’intensità del campo, è necessario catturare i segnali 0,06-0,1 gauss. Un sensore a effetto Hall da 10 dollari più un op-amp potrebbe misurare variazioni fino a 0,06 gauss se non c’è un grande campo magnetico esterno. Al di sotto di questo, il rumore dai circuiti del tuo sensore, non il sensore, sarà probabilmente il fattore limitante.

Che dire dei danni da particelle (radiazioni)?

La vita della missione è breve (meno di tre mesi), quindi non è necessario preoccuparsi dei danni cumulativi. Facevo modelli di danni da radiazioni ai tempi della scuola, e risulta che l’elettronica moderna è sorprendentemente robusta su brevi scale temporali. Avrete principalmente sconvolgimenti da singolo evento (SEP) che strapazzano un sensore o un computer, ma dal momento che probabilmente non avete bisogno del 100% di operatività, questo non dovrebbe essere un problema. In effetti, i glitch aggiungeranno un carattere interessante ai vostri dati derivati. Se doveste incontrare, per esempio, una tempesta solare, sarà interessante vedere come i sensori la affrontano, o con la saturazione o con segnali spuri. Un contatore proporzionale o un equivalente surrogato (come un microDig Reach) può misurare questi conteggi di particelle.

E infine, la cosa più importante da sapere:

Qual è la mia missione?

Che diavolo volete che faccia il vostro picosatellite? È possibile suddividere ordinatamente le scelte tipiche dei picosatelliti in missioni scientifiche, missioni di ingegneria e opere d’arte. Un carico utile scientifico misura cose. Un carico utile ingegneristico testa l’hardware o il software. Un progetto artistico istanzia un concetto elevato. Visiteremo ognuno di essi.

Scienza!

In una missione scientifica, il vostro picosatellite misurerà qualcosa. La scienza si basa sulla misurazione, nel suo cuore. Ci sono tre tipi di missioni che puoi fare: di puntamento, in situ, e di ingegneria.

Una missione di puntamento è come un telescopio. Il vostro picosatellite punta su un oggetto di interesse – il Sole, la Luna, le stelle, lo sfondo del cielo o la Terra – e lo osserva. Nota che puntare la Terra richiede una licenza – non è difficile da ottenere, ma la privacy è protetta nello spazio hobbistico.

Puoi puntare a caso, ma questo non sembra molto utile. Puoi impostare una modalità di rilevamento, dove al tuo picosatellite viene dato un orientamento specifico nella sua orbita in modo che, ogni orbita, spazzi attraverso il cielo in modo prevedibile. Oppure, potete fare un puntamento attivo, facendo in modo che il picosatellite guardi dove volete voi.

Il puntamento attivo è abbastanza impegnativo. È necessario conoscere la propria posizione in modo molto accurato. Usare i riferimenti inerziali – la conoscenza dell’orbita iniziale più la previsione interna di come il satellite sta viaggiando – è inesatto per scopi di puntamento del sensore. Pertanto, il puntamento richiede tipicamente una sorta di star-tracker. Questi sono due o più telescopi ad ampio campo che immaginano il cielo e lo confrontano con un catalogo a bordo di stelle di riferimento luminose conosciute.

L’inseguimento stellare è tecnicamente complesso, e probabilmente oltre il peso e i limiti di progettazione di un tipico picosatellite. Comunque, vedi “Ingegneria!” qui sotto, per saperne di più.

Un uso scientifico più comune del picosatellite è la misurazione in situ. Questo è l’uso di sensori che misurano la regione in cui si trova il satellite senza richiedere il puntamento. Un termometro è un perfetto esempio di un rilevatore in-situ. Misura la temperatura, e non c’è bisogno di puntarlo con precisione per sapere che funziona.

Altre misurazioni in-situ da LEO possono includere il campo elettrico e magnetico nella ionosfera, la luce del Sole o il bagliore riflesso della Terra, la misurazione della densità ionosferica, o il monitoraggio della cinematica della vostra orbita e il posizionamento (come vi state muovendo).

O forse non volete misurare qualcosa scientificamente, volete solo costruire cose. Questa è ingegneria.

Ingegneria!

Un picosatellite ingegneristico usa la piattaforma per provare alcuni nuovi concetti di hardware spaziale, o per darti la possibilità di fare pratica nel costruire le tue varianti di hardware spaziale conosciuto.

Puoi costruire un picosatellite per provare qualsiasi componente hardware. Un nuovo sistema di alimentazione, un nuovo metodo di posizionamento, un nuovo tipo di comunicazioni radio o relè, nuovi sensori – in realtà qualsiasi componente del satellite può essere costruito e migliorato.

Alcuni progetti di picosatellite hanno coinvolto i test – su piccola scala – di nuovi concetti di propulsione satellitare, dai motori a ioni alle vele solari. Vuoi testare una stazione spaziale gonfiabile in miniatura, o vedere se puoi fare un picosatellite che si apre per formare un grande punto di rimbalzo radioamatoriale? Costruiscilo!

Un altro motivo ingegneristico può essere quello di testare componenti specifici: per esempio, confrontando un impianto elettronico personalizzato con un componente commerciale off-the-shelf (COTS) per vedere se i satelliti (di qualsiasi dimensione) possono essere resi più convenienti. Oppure si possono testare nuovi metodi di compressione dei dati o metodi alternativi per fare operazioni a bordo.

L’innovazione nelle operazioni è un sottoinsieme di obiettivi ingegneristici che vale la pena esplorare ulteriormente. I picosatelliti potrebbero essere usati per testare il coordinamento di una costellazione di satelliti. Possono essere banchi di prova per studi di meccanica orbitale, o lezioni sulle operazioni coordinate dei satelliti. Essendo il modo più economico per avere accesso allo spazio, sono eccellenti banchi di prova per prototipare nuovi modi di fare lavoro satellitare prima di passare a missioni da milioni di dollari.

Concetto artistico!

Infine, ci sono pezzi concettuali. Il mio “Progetto Calliope” TubeSat raccoglie misure in situ della ionosfera e le trasmette a Terra come musica, un processo chiamato sonificazione. L’intento è quello di restituire un senso del ritmo e del livello di attività dello spazio, piuttosto che dati numerici, in modo da poter avere un’idea di come si comporta il sistema Sole-Terra.

Puoi lanciare un satellite per fare qualsiasi cosa. Mandare le ceneri nello spazio. Spedire una bandiera di preghiera himalayana. Lanciare in orbita la tua fede in titanio. Qualsiasi arte, musica o idea ibrida arte/musica/scienza è benvenuta, perché è il tuo satellite. Basta dargli uno scopo o un’utilità che vada oltre lo spettacolo di poter lanciare il tuo satellite.

Solvere un problema decennale per tutta l’umanità

Ecco un esercizio di design che ti chiede di inventare un satellite. Il punto non è se puoi costruire, ma se puoi concepire e delineare un’idea che valga la pena di costruire in primo luogo.

Scegli uno degli obiettivi decadali per l’osservazione della Terra, l’eliofisica, l’astronomia o la scienza planetaria, e progetta un concetto di missione per soddisfare quel compito usando una piccola piattaforma satellitare-NASA SMEX o più piccola.

Inventa il tuo satellite e fai una presentazione di cinque minuti che presenteresti alla NASA per chiedere finanziamenti. Limitatevi a un satellite con uno o due (al massimo) strumenti. Ecco alcuni link di riferimento decadali:

• 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/

Un esempio di obiettivo decadale, dall’osservazione della Terra, potrebbe essere:

Cambiamento degli strati di ghiaccio e livello del mare. Ci sarà un collasso catastrofico delle principali lastre di ghiaccio, comprese quelle della Groenlandia e dell’Antartide occidentale e, in caso affermativo, quanto rapidamente si verificherà? Quali saranno gli schemi temporali dell’innalzamento del livello del mare come risultato?

Un buon lancio potrebbe includere:

• Una tabella riassuntiva della missione (tipo/lunghezza d’onda/obiettivo/chi/orbita)
• Storia di qualsiasi missione passata che ha affrontato questo
• Lista del carico di strumenti desiderato: quali tipi di strumenti e cosa misurano ciascuno, più se ha bisogno o meno di ottiche di focalizzazione
• Gamma di risoluzione per rivelatore (spaziale, spettrale, tempi, luminosità)
• Stima dei costi, basata sul confronto/analogia con missioni simili

Per valutare un buon lancio, considerare se:

• Il tuo obiettivo e il satellite sono plausibili.
• Il tuo approccio sembra chiaramente essere quello giusto per il compito.

Questa è l’abilità delle proposte sia commerciali che accademiche, dove non solo devi convincere il pubblico che sei la persona giusta per il compito, ma anche che il compito stesso vale la pena di essere fatto!

Costruire il tuo picosatellite non è solo un mezzo per un fine, ma un obiettivo utile in sé. Anche se non lo lancerete mai, le abilità e l’esperienza che acquisirete nel costruire il vostro vero satellite possono essere un’esperienza fantastica.

Questo articolo è tratto da DIY Satellite Platforms e DIY Instruments for Amateur Space di Sandy Antunes. Questa serie, che comprende anche Surviving Orbit the DIY Way, è una risorsa profonda e facile da usare per gli aspiranti costruttori di veicoli spaziali, disponibile presso il Maker Shed a makershed.com. Guarda per il quarto libro della serie, DIY Data Communication for Amateur Spacecraft, in arrivo questa estate.