Alai

Allt jag begär är en lyckad uppskjutning, en ren radiosignal och ett liv som är tillräckligt långt för att nå det målet.

Om ballonger på hög höjd inte räcker till, om du känner dig frustrerad över takten i rymdutvecklingen eller om du bara gillar raketer och hårdvara, så tycker jag att det är ett utmärkt beslut att skjuta upp en egen satellit. Men först, vad vill du att din satellit ska göra? Här är 7 viktiga saker du behöver veta innan du skjuter upp din personliga rymdfarkost i omloppsbana i 17 000 miles i timmen.

Vad är en pikosatellit?

Pikosatelliter är per definition extremt små och lätta satelliter. Varje picosatellit tenderar att ha dessa kärnkomponenter:

• En antenn
• En radiosändare för uppladdning av kommandon eller nedladdning av data
• En dator på ett chip, t.ex. en Arduino eller en Basic-X24
• Ett kraftsystem, oftast solceller plus ett batteri plus en kraftbuss
• Sensorer

Förfadern till pikoklassen är CubeSat, en arkitektur med öppen källkod som gör att du kan packa in vad du vill i en kub på 10 cm × 10 cm × 10 cm × 10 cm.

CubeSat är en satellit lika söt som en pumpa. Forbes rapporterade om en leverantör, Pumpkin Inc, som levererar färdiga CubeSats. CubeSat i sig själv är en specifikation, inte en del av den maskinvara som finns på hyllan, så Pumpkin beslutade sig för att förbygga byggsatser och sälja dem. Om du har en egen raket att skjuta upp din CubeSat på säljer de dig ett CubeSat-kit för 7 500 dollar.

Detta är en bra parallell till InterOrbital Systems’ TubeSat. InterOrbital Systems (IOS) har ett försprång när det gäller pris/prestanda, eftersom de lägger in uppskjutningen för samma kostnad. Men det ser ut som om varken IOS eller Pumpkin erbjuder premades, bara kit. Det är alltså fortfarande hobbyarbete inblandat, men byggsatserna tar bort behovet av ingenjörskonst och lämnar bara kvar den roliga delen med montering och integrering.

TubeSat och CubeSat skiljer sig förstås åt, och jag är vansinnigt glad över att båda främjar idén om plattformsbyggsatser. Detta är ett stort steg mot en kommersialisering av rymdforskningen. Även om mini CubeSat ser kusligt lik ut som en Hellraiser Lemarchand-låda.

Hur mycket kostar det att skjuta upp?

Om du bygger en CubeSat är det inte svårt att skaffa en raket att skjuta upp den på, bara dyrt. En typisk uppskjutning av en CubeSat kostar uppskattningsvis 40 000 dollar. Det finns flera kommersiella leverantörer som lovar framtida CubeSat-raketer, förutsatt att de slutför utvecklingen. Olika projekt inom NASA och den internationella rymdstationen godkänner vissa förslag där CubeSat-arkitekturen används. Det finns fler företag som ger sig in i den privata uppskjutningsbranschen varje år, så utsikterna för att få en uppskjutning blir alltmer robusta.

TubeSat-arkitekturen från InterOrbital Systems är ett alternativt schema. Det stöds för närvarande endast av InterOrbital och är mycket kostnadseffektivt. Du får schemat, de viktigaste hårdvarukomponenterna och en uppskjutning med deras raket, som fortfarande är under utveckling, för ett engångspris på 8 000 dollar. En TubeSat använder en något längre hexagonal arkitektur, 12 cm lång och 4 cm i diameter.

Du kan också arbeta med en anpassad arkitektur om du har tillgång till en raketuppskjutning (kanske genom en högskola eller ett universitet), men för närvarande är de två främsta aktörerna den öppna CubeSat-specifikationen och det privata TubeSat-alternativet.

Var är omloppsbanan?

Var ska din picosatellit ta vägen? Det är nästan en självklarhet att din picosatellit kommer att gå i låg omloppsbana (LEO), ett brett band som sträcker sig från cirka 150 km upp till kanske 600 km. Det är i detta område som också många vetenskapssatelliter och den internationella rymdstationen (ISS) befinner sig. Det är i och under jonosfären, den mycket, mycket tunna delen av atmosfären som också sammanfaller med en stor del av jordens magnetfält.

Jordets magnetfält skyddar oss från solens häftigaste aktivitet. Högenergipartiklar, flareutsläpp och koronala massutkast (CMEs; i princip klumpar med solmaterial) avvisas av magnetfältet innan de når marken. Där de magnetiska fältlinjerna sjunker nära polerna uttrycker sig denna energi som norrsken.

Ovanför jonosfären kan rymdmiljön vara fientlig på grund av solaktiviteten. Under den är strålningsriskerna mycket lägre. Det är därför ISS hålls i LEO. LEO är i grund och botten ungefär så säker som rymden kan bli. Det är också där din picosatellit sannolikt kommer att bo.

En typisk LEO-bana har en period på cirka 90 minuter. Det innebär att den roterar runt jorden en gång var 90:e minut och gör ungefär 15 omloppsbanor per dag. Banor kan placeras nära jordens ekvator (ekvatoriella banor) eller slinga sig från nord- till sydpolen (polära banor). På samma sätt kan banorna vara nästan cirkulära eller mycket excentriska – de kan komma närmare jorden i ena änden av banan och sedan flytta sig långt bort i den andra.

Hur länge kommer min satellit att hålla?

Din bana bestäms helt och hållet av vad din raketleverantör har sålt till dig. På hobbynivå kommer du troligen att få en standard 250 km eller så nästan cirkulär bana, antingen ekvatorial eller polär. En sådan omloppsbana varar (på grund av dragkraft från den tunna jonosfären) mellan 3 och 16 veckor innan satelliten drabbas av en brinnande återinträde.

På picosatellitmassor innebär detta att din satellit kommer att gå upp och inte återvända. Du har mindre än tre månader på dig att samla in data. Picosatelliten kommer sedan i princip att förångas snyggt vid återinträdet (ingen risk för rymdskrot!)

Hur är vädret där uppe?

LEO-förhållanden och livsduglighet

Ionosfären kallas så för att det är en mycket tunn plasma av elektriskt laddade atomer (joner) och elektroner, på grund av den ultravioletta (UV) strålningen från solen. Tekniskt sett sträcker den sig från cirka 50 km upp till över 1 000 km (tack Wikipedia!), men LEO börjar vid 150 km – under det kan man inte upprätthålla en stabil bana. Ionosfären styrs som sagt av solaktiviteten. Den del som är vänd mot solen har mer jonisering; dessutom kan solaktivitet styra dess beteende starkt. Det finns också dips i den magnetiska fältlinjen, vilket leder till att strålningen ökar på lägre höjder. Vi har nämnt polerna, och regioner som South Atlantic Anomaly (SAA) har också fältlinjer som dyker lägre.

Om du skickar upp sensorer vill du försäkra dig om ett par saker:

• De har en känslighetsnivå som är lämplig för den signalnivå som du försöker mäta.
• De har ett dynamiskt område som gör att du kan extrahera meningsfulla data.

LEO-temperaturer

En metallplatta i LEO kommer att cykla från -170 °C till 123 °C beroende på dess solsida och dess tid i solljus. Om din picosatellit snurrar kommer detta att jämna ut värmefördelningen en aning, men det är det intervallet man kan anta. En omloppsbana har ungefär hälften av sin tid i solljus och den andra hälften i jordens skugga, så temperaturbeteendet är värt att modellera.

Då picosatelliten snurrar är det här intervallet lyckligtvis mindre (eftersom värmen har tid att fördela sig och skingras), och med en omloppsbana på 90 minuter bör du cykla genom tre intervall: för kallt för att registrera, övergångsregioner där sensorn returnerar giltiga, långsamt föränderliga data, och möjligen övermättnad i den övre delen. Du kan lägga till en värmare om det behövs – satelliter har använt värmare och kylare beroende på instrumentet och inriktningen.

Det räcker därför med en värmesensor (t.ex. en sensor av märket microDig Hot) som täcker -40°C upp till 100°C. Området från -40°C till 100°C är ett möjligt område att mäta. I vilket fall som helst kan resten av satellitens elektronik få problem om den överskrider det området.

LEO Ljus

På samma sätt är det troligt att en ljusdetekterande sensor för en snurrande pikosatellit endast returnerar en binär signal: superblank sol i sikte och sol inte i sikte. Så allt den kommer att mäta är tidpunkten för när solen är synlig. Ljussensorernas funktion kommer till stor del att vara binär, för att fånga upp sol-mörker-cyklerna när satelliten snurrar, liksom den övergripande dag/natt-cykeln i omloppsbanan. Om satelliten har en liten svacka, desto bättre. Dessa ljussensorer kommer att ge ett grundläggande mått på satellitens position och tumling. Om du vill mäta faktiska ljusnivåer måste din konstruktion se till att solen inte mättar din detektor.

LEO magnetfält

Ionosfären har en fältstyrka i storleksordningen 0,3-0,6 gauss, med fluktuationer på 5 %. För en polomloppsbana får du högre variationer och högre magnetfält än för en ekvatorial omloppsbana (eftersom jordens magnetfältlinjer dippar nära polerna, därav norrskenet). Om man vill mäta fluktuationer, inte fältstyrkan, måste man fånga upp 0,06-0,1 gauss-signaler. En Hall-effektsensor för 10 dollar plus en op-förstärkare kan mäta variationer ner till så lite som 0,06 gauss om det inte finns något stort externt magnetfält. Under detta är det troligen bruset från sensorns kretsar, inte sensorn, som är den begränsande faktorn.

Hur är det med partikelskador (strålningsskador)?

Missionens livslängd är kort (mindre än tre månader), så du behöver inte oroa dig för kumulativa skador. Jag brukade göra modeller för strålningsskador i skolan, och det visar sig att modern elektronik är förvånansvärt robust på korta tidsskalor. Du kommer i första hand att drabbas av enstaka händelser som stör en sensor eller dator, men eftersom du troligen inte behöver 100 % drifttid bör detta inte vara något problem. I själva verket kommer störningar att ge intressant karaktär åt dina härledda data. Om du skulle råka ut för t.ex. en solstorm blir det intressant att se hur sensorerna hanterar den, antingen med mättnad eller med falska signaler. En proportionell räknare eller en ersat motsvarighet (som en microDig Reach) kan mäta dessa partikelantal.

Och slutligen, det viktigaste att veta:

Vad är mitt uppdrag?

Vad i helvete vill du att din picosatellit ska göra? Du kan enkelt dela upp de typiska picosatellitvalen i vetenskapliga uppdrag, tekniska uppdrag och konstverk. En vetenskaplig nyttolast mäter saker. En teknisk nyttolast testar hårdvara eller mjukvara. Ett konstprojekt är en instantiering av ett högt koncept. Vi kommer att besöka var och en av dem.

Vetenskap!

På ett vetenskapligt uppdrag kommer din picosatellit att mäta något. Vetenskap handlar i grunden om mätning. Det finns tre typer av uppdrag du kan göra: riktningsuppdrag, in-situ-uppdrag och konstruktionsuppdrag.

Ett riktningsuppdrag är som ett teleskop. Din picosatellit pekar på ett objekt av intresse – solen, månen, stjärnorna, himmelsbakgrunden eller jorden – och observerar det. Observera att det krävs en licens för att peka på jorden – det är inte svårt att få, men integriteten är skyddad i hobbyutrymmet.

Du kan peka slumpmässigt, men det verkar inte särskilt användbart. Du kan ställa in ett undersökningsläge, där din picosatellit får en specifik orientering i sin omloppsbana så att den vid varje omloppsbana sveper över himlen på ett förutsägbart sätt. Eller så kan du göra en aktiv pejling, där du får picosatelliten att titta dit du vill.

Aktiv pejling är ganska utmanande. Du måste känna till din position mycket exakt. Att använda tröghetsreferenser – kännedom om den ursprungliga banan plus en intern förutsägelse av hur satelliten rör sig – är inexakt för sensorpekning. Därför krävs det vanligtvis någon form av stjärnspårare för att peka. Dessa är två eller flera bredfältsteleskop som avbildar himlen och jämför den med en inbyggd katalog över kända ljusa referensstjärnor.

Stjärnspårning är tekniskt komplicerat och sannolikt bortom vikt- och konstruktionsbegränsningarna för en typisk pikosatellit. Se dock ”Teknik!” nedan för mer information om detta.

En vanligare vetenskaplig användning av picosatelliter är in-situ-mätningar. Detta är användningen av sensorer som mäter det område som satelliten befinner sig i utan att behöva riktas. En termometer är ett perfekt exempel på en in-situ-detektor. Den mäter temperaturen, och du behöver inte peka den exakt för att veta att den fungerar.

Andra in-situ-mätningar från LEO kan omfatta det elektriska och magnetiska fältet i jonosfären, ljus från solen eller reflekterat jordljus, mätning av jonosfärens täthet eller spårning av kinematiken i din omloppsbana och positionering (hur du rör dig).

Och kanske vill du inte mäta något vetenskapligt, du vill bara bygga saker. Det är ingenjörskonst.

Ingenjörskonst!

En picosatellit för ingenjörskonst använder plattformen för att prova några nya koncept för rymdhårdvara, eller för att ge dig övning i att bygga egna varianter av känd rymdhårdvara.

Du kan göra en picosatellit för att testa någon av hårdvarukomponenterna. Ett nytt kraftsystem, en ny positioneringsmetod, en ny typ av radio- eller reläkommunikation, nya sensorer – egentligen kan alla komponenter i satelliten byggas och förbättras.

Vissa pikosatellitprojekt har inneburit att man har testat – i liten skala – nya koncept för framdrivning av satelliter, allt från jonmotorer till solseglar. Vill du testa en uppblåsbar rymdstation i miniatyr eller se om du kan göra en picosatellit som vecklas ut för att bilda en stor studspunkt för amatörradio? Bygg den!

Ett annat ingenjörsmotiv kan vara att testa specifika komponenter, t.ex. genom att jämföra en skräddarsydd elektronikrigg med en kommersiell komponent som finns på hyllan (COTS) för att se om satelliter (oavsett storlek) kan göras mer kostnadseffektiva. Eller så kan man testa nya datakomprimeringsmetoder eller alternativa metoder för att utföra drift ombord.

Innovation inom drift är en delmängd av tekniska mål som är värd att utforska ytterligare. Picosatelliter skulle kunna användas för att testa samordningen av en konstellation av satelliter. De kan vara testbäddar för studier av omloppsmekanik eller lärdomar i samordnad satellitdrift. Eftersom de är det billigaste sättet att få tillgång till rymden är de utmärkta testbäddar för att ta fram prototyper av nya sätt att arbeta med satelliter innan man går över till uppdrag som kostar miljoner dollar.

Konceptkonceptkonceptkoncept!

Slutligen finns det konceptdelar. Min egen TubeSat ”Project Calliope” samlar in situ-mätningar av jonosfären och sänder dem till jorden som musik, en process som kallas sonifiering. Avsikten är att återge en känsla av rytmen och aktivitetsnivån i rymden, snarare än numeriska data, så att vi kan få en uppfattning om hur sol-jord-systemet beter sig.

Du kan skjuta upp en satellit för att göra vad som helst. Skicka aska till rymden. Skicka upp en böneflagga från Himalaya. Skicka upp din bröllopsring i titan i omloppsbana. Alla idéer om konst, musik eller konst/musik/vetenskapliga hybrider är välkomna eftersom det är din satellit. Ge den bara ett syfte eller en nytta utöver spektaklet att kunna skjuta upp din egen satellit.

Lös ett decennieproblem för hela mänskligheten

Här är en designövning där du ombeds att uppfinna en satellit. Poängen är inte om du kan bygga, utan om du kan tänka ut och beskriva en idé som är värd att bygga överhuvudtaget.

Välj ett av decenniemålen för jordobservation, heliofysik, astronomi eller planetarisk vetenskap och utforma ett uppdragskoncept för att uppfylla den uppgiften med hjälp av en liten satellitplattform-NASA SMEX eller mindre.

Uppfinna din satellit och gör en fem minuter lång presentation som du skulle kunna lägga fram för NASA för att be om finansiering. Begränsa dig till en satellit med ett eller två (högst) instrument. Här är några länkar till decenniemål:

• 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/

Ett exempel på ett decenniemål, från jordobservation, skulle kunna vara:

Förändring av inlandsisen och havsnivån. Kommer det att ske en katastrofal kollaps av de stora istäcken, inklusive de på Grönland och i västra Antarktis, och i så fall hur snabbt kommer detta att ske? Vilka tidsmönster kommer havsnivåhöjningen att ha som följd av detta?

En bra presentation kan innehålla:

• En sammanfattning av uppdraget (typ/våglängd/mål/vem/omloppsbana)
• Historia om tidigare uppdrag som har tagit itu med detta
• Lista över önskad instrumentutrustning: Vilka instrumenttyper och vad varje instrument mäter samt om det behövs fokuserande optik eller inte
• Upplösningsområde per detektor (spatialt, spektralt, tidsmässigt, ljusstyrka)
• Kostnadsberäkning, baserad på jämförelse/analogi med liknande uppdrag

För att utvärdera en bra pitch ska du ta hänsyn till om:

• Ditt mål och din satellit är trovärdiga.
• Ditt tillvägagångssätt verkar helt klart vara rätt tillvägagångssätt för uppgiften.

Detta är färdigheten för både affärsförslag och akademiska förslag, där du inte bara måste övertyga publiken om att du är rätt person för uppgiften, utan också att uppgiften i sig själv är värd att göra!

Att bygga en egen picosatellit är inte bara ett medel för att uppnå ett mål, utan ett värdefullt mål i sig själv. Även om du aldrig skjuter upp den kan de färdigheter och den erfarenhet du får genom att bygga din egen riktiga satellit vara en fantastisk upplevelse.

Denna artikel är anpassad från DIY Satellite Platforms and DIY Instruments for Amateur Space av Sandy Antunes. Denna serie, som även omfattar Surviving Orbit the DIY Way, är en djupgående och användarvänlig resurs för blivande rymdfarkostbyggare och finns tillgänglig från Maker Shed på makershed.com. Den fjärde boken i serien, DIY Data Communication for Amateur Spacecraft, kommer i sommar.