1. oldal
Az első teljesen hazai építésű műhold, a Masat–1 után újra nagy fába vágták fejszéjüket a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem oktatói és hallgatói. A Zsebibecenévre hallgató, egyelőre fejlesztés alatt álló szatellit a tervek szerint 2016-ban áll pályára bolygónk körül, ahol azt fogja vizsgálni, hogy a televízióadók elektromágneses sugárzásából mennyi jut ki a világűrbe. A készülő műhold a kisműholdak legújabb generációjának a tagja, úgynevezett PocketQube. Az 5 x 5 x 5 centiméteres formátumot ugyanúgy Bob Twiggs vezette be 2013-ban, aki a Masat−1-hez hasonló, 10 centiméteres élhosszúságú űrkockákat, a CubeSatokat is kitalálta, amelyeket ma már a NASA is előszeretettel alkalmaz kisebb méretű és energiaigényű projektjeihez. A cél mindkét esetben hasonló volt: a Stanford nyugalmazott professzora a kicsi, olcsó, gyorsan megépíthető és feljuttatható űreszközök révén lehetőséget kívánt adni diákjainak arra, hogy bekapcsolódhassanak a műholdazás szépségeibe.
Hasonló célokkal vágott bele a munkába Gschwindt András, a BME Szélessávú Hírközlés és Villamosságtan Tanszékének nyugalmazott adjunktusa is, aki a Masat−1-projekt után egy többé-kevésbé új hallgatói-oktatói gárdával állt neki régi álma megvalósításának: a csapatának tagjai a Föld környezetében érzékelhető elektromágneses szmogot kívánják tanulmányozni. A BME−1 lesz az első műhold, amely tévéadók által a világűrbe kisugárzott jeleket fogja vizsgálni a 470−860 MHz-es sávban, ez azonban csak a kezdet. Ahogy Gschwindt András a Rádiótechnika című folyóirat legutóbbi (2014/9.) számában megjelent interjújábanelmondta, az első lépés megvalósítása után a BME−2 a rádióadók, a BME−3 pedig a mobiltelefonok által keltett elektroszmog vizsgálatát végezné. Mivel a Masat−1 vezérlőállomása várhatóan alkalmas lesz mindezen műholdak kiszolgálására, a fejlesztők az űreszközök létrehozására fordíthatják minden energiájukat.
Ez persze nem könnyű feladat, főként azért, mert nem sok tapasztalati adat áll rendelkezésre az ilyen aprócska műholdakkal kapcsolatban. A világűrbe eddig felkerült maroknyi PocketQube közül mindegyikkel adódtak technikai problémák, vagyis egyik sem volt képes 100 százalékosan működni. Ilyen szempontból is nagy fegyvertény lenne tehát, ha elsőként a BME-s csapatnak sikerülne egy tökéletesen működő szerkezettel előrukkolni.
Hogy ehhez milyen sok különböző problémát kell megoldani, arról Józsa Viktorral, az Energetikai Gépek és Rendszerek Tanszék doktoranduszával beszélgettünk, aki a hőtechnikai és mechanikai modellezést végző csoport vezetője a projekten belül. Elmondása szerint a problematikus pontok túlnyomó része a műhold méreteiből adódik. Mivel nagyon pici a kocka, nagyon kicsi a hőtehetetlensége is, vagyis amint árnyékba kerül, rendkívül gyorsan hűlni kezd. Ez azért gond, mert a fedélzetre szánt lítiumion-akkumulátor hőmérséklete nem süllyedhet 0 °C alá, hiszen így nem tudna megfelelően funkcionálni. „Ez a nagy feladat, amit eddig még senki nem tudott jól megoldani” – mondja Józsa Viktor.
A PocketQube-méret még egyáltalán nem járatódott be, így bevett, jól működő módszerek sincsenek a hasonló problémák áthidalására. Nagyon kicsi, mindössze 150 négyzetcentiméteres felülettel kell gazdálkodni, ami kevés napelemfelületet és kevés energiát jelent. A hőtani gondot jelenleg speciális, kifejezetten az űrbe szánt rendszerek és alkatrészek burkolására használt fóliákkal, illetve a belső, üresen maradó részek nagy hőkapacitású ballasztanyaggal történő kitöltésével igyekeznek megoldani a fejlesztők.
Az űreszközök építésére vonatkozó szigorú szabványok tiltják, hogy olyan anyag kerüljön a szerkezetbe, amelyből gáz távozhat alacsony nyomás mellett, így több potenciális jelöltet rögtön el kellett vetni. A tervezés során komolyabban a lítium és a polietilén került szóba megoldásként, előbbi azonban egyrészt túlságosan reaktív az oxigénnel, és megnehezítené a megmunkálást, másrészt nem is nagyon lehet kapni olyan magas lítiumtartalmú ötvözetet, amilyenre szükség lenne.
Valószínűleg a polietilén marad tehát a ballaszt, feltéve, hogy kiállja a teszteket is. A rendszer hőtani tervezése először papíron, majd számítógépes szimulációk útján zajlik, de a fejlesztők már felvették a kapcsolatot az MTA Központi Fizikai Kutatóintézetével, ahol a megépült prototípusok tesztelésének egy jelentős részét fogják elvégezni.
2. oldal
A tervezésnél a feljutás és a kibocsátás módját is nagyon komolyan figyelembe kell venni. Az eredeti terv az volt, hogy a Nemzetközi Űrállomásról állítanák 400 kilométer magasságú poláris pályára a BME−1-et, ez a műholdtípus azonban annyira új, hogy az ISS-en nem valószínű, hogy vállalják kibocsátását. Míg CubeSatokból már néhányat pályára állítottak az űrhajósok egy-egy űrséta alkalmával, vagy egy robotkar segítségével, ilyen apró műholdakra még nem vállalkoznak. Amennyiben mégis összejönne ez a verzió, a SpaceX Dragon űrhajójának teherszállító változata vinné fel a műegyetemi a műholdat az ISS-re.
A másik, jelenleg esélyesebbnek tűnő terv szerint egy 2016 elején induló orosz teherűrhajó állíthatja pályára a BME−1-et. Amennyiben ez a változat valósul meg, az jelentősen befolyásolhatja a küldetés jellegét, az orosz űrhajó ugyanis 500 kilométer magasságú poláris pályán állítaná pályára a műholdat. A magasabb pályával jelentősen megnőne az űreszköz potenciális élettartama, mert míg 400 kilométeren háromnegyed vagy egy év után visszahullana és elégne a légkörben, 500 kilométeres magasságból indulva 2−8 évig is működőképes maradhat a szerkezet.
A tervezett mérések elvégzésére pontosan elég lenne az alacsonyabb pályán eltölthető idő is, ugyanakkor ha magasabb pályán kezdi meg küldetését a műhold, jó lenne, ha azon végig működni is tudna, magyarázza Józsa Viktor. Az űrben töltött idő megnyúlásával azonban újabb tervezési szempontok kerülnek előtérbe, egy több éves küldetésnél például már komoly figyelmet kell fordítani arra is, hogy olyan anyagokból készüljön a műhold, amelyet kevéssé károsít a kozmikus sugárzás. A pályamagasság ugyanakkor az energiaellátás és a hőmérsékleti viszonyok szempontjából sem lényegtelen, mivel a magasabb pályán a műhold jelentősen több időt, ideje körülbelül 70 százalékát töltené napfényen a legrosszabb esetben, ami a rendszer működőképességét nézve mindenképp kedvező lenne. (A 400 kilométeres pályán legalább 64 százalék körüli a napos időszakok aránya.)
A pályák kiválasztásánál szempontként az űrszemét kérdése is szóba került. Ha egy éven belül elég az űreszköz a légkörben, kisebb eséllyel ütközik neki bárminek is, mintha több évet töltene odafenn. És ugyan nagyon apró eszközről van szó, 28 ezer kilométer/órával száguldva azonban egy porszem is komoly károkat okozhat, ha beleütközik valamibe. Mivel pedig hajtóműve nem lesz a műholdnak, elkerülő manőverekre nincs lehetőség. A jelenleg is nagy mennyiségben fent lévő, több száz kilogramm tömegű működésképtelen műholdak és rakétaalkatrészek néhány alkalommal már a Masat−1 műholdat is komolyan veszélyeztették, többször is csupán néhány 10 méter távolságra haladva el tőle.
Ami a feljutás módját illeti, a teherűrhajós szállítás szintén lényeges faktor az eszköz fejlesztése során. Mivel ezek az űrjárművek embert nem szállítanak, az indításkor igyekeznek nagyon gyorsan elérni az első kozmikus sebességet, amellyel már pályára állhatnak a bolygó körül. Ez a gyakorlatban annyit jelent, hogy a rakéta második fokozatának beindulása után óriási gyorsulással indul meg a rendszer, 60−80 g-s folyamatos terhelésnek téve ki a rakományt.
A BME−1-nek tehát ezt is ki kell majd bírnia. Hogy a konstrukció mennyire lesz alkalmas erre, például hogy a nyomtatott áramkörös oldallapok önmagukban kibírják-e ezeket az erőhatásokat, vagy más szerkezeti elemeket is be kell építeni, azt rázóasztalon fogják tesztelni a fejlesztők. Ehhez már előzetesen szükség van a szállítást végző rakéta rázási spektrumára, hogy ahhoz igazíthassák a terveket. Persze ha rázásról beszélünk, akkor rögtön bejön a képbe egy komoly rezgéstani probléma is: az egyes alkatrészeket mindenképpen el kell hangolni a jellemző gerjesztő frekvenciáktól, nehogy rezonanciába keveredjenek, és szállítás közben szétessen vagy meghibásodjon a nagy gonddal összerakott konstrukció.
Maga a szállítás és a kibocsátás a mellékelt képen látható keretszerűséggel fog történni. A műhold alaplapja nagyobb lesz a többinél, ez kerül a keret egyik oldalán levő sínbe, majd a pályára állítás során elolvasztják a rögzítő műanyagcsavart, és egy rugó kilöki az űreszközt. A műegyetemi fejlesztők egy ekkor aktiválódó kapcsolót is szeretnének ráapplikálni a rendszerre, ami működésbe hozná az akkumulátort. Mivel indulás előtt a becsomagolt rakomány rendszerint hónapokig hever egy raktárban, többször előfordult már, hogy az űreszköz teljesen lemerült akkukkal érkezett meg rendeltetési helyére a nem megfelelő áramtalanítás miatt. Ebből aztán problémák sora adódhat, például megeshet, hogy nem tud felállni a napelemes rendszer áramköreit vezérlő számítógép sem, így hiába süti a Nap a napelemeket, azok nem képesek tölteni az akkut. Azonban erre az esetre is felkészülnek, így akkumulátor nélkül a napos oldalon képesek lesznek méréseket végezni és a begyűjtött adatokat lesugározni.
3. oldal
Mind a napelemek, mind a mérőantenna működésének szempontjából fontos, hogy a műhold az űrben ne pörögjön túlságosan gyorsan. Ennek megakadályozására egyrészt úgynevezett disszipatív elemeket, mágnesezhető fémrudakat is bele akarnak építeni a műholdba a fejlesztők, amelyek a Föld mágneses terében haladva képesek lehetnek lelassítani a forgást. A másik terv a súlypont elhelyezésére vonatkozik. A Masat−1 tervezésénél még előírás volt, hogy a tömegközéppontnak majdnem pontosan egybe kellett esnie a geometriai középponttal. Jelenleg úgy tűnik, hogy a PocketQube-oknál nincs ilyen kritérium, így a tervezők abban reménykednek, hogy ha közvetlenül a sínbe kerülő lap fölé telepítik a nehezebb alkatrészeket, például az akkumulátort, megakadályozhatják, hogy a pályára állításnál túlságosan bepörögjön a műhold.
A szállítás során az antennákra is gondolni kell. Mivel a műhold túlságosan pici ahhoz, hogy a Masat−1-nél alkalmazott módszerrel az egyik oldallapot feláldozzák a mérőantenna tárolására, Józsa Viktor elmondása szerint jelenleg inkább afelé hajlanak, hogy valamiféle alakemlékező ötvözetből alkotják meg az antennát, amelyet a kilövés idejére a kocka köré tekernek. Ilyen anyag például a nikkelből és titánból álló Nitinol, amelyre elviekben akár csomót is lehet kötni, megfelelő hőhatásra képes kibogozni magát, és felvenni az eredetileg „belétáplált” alakot.
Mivel az rádióamatőr sávokban sugárzó adóantenna már jelenleg is belefér a kocka korlátozott mérettartományába összecsomagolva, jelenleg a mérőantenna pontos geometriájának kiötlésén dolgoznak a csapat villamosmérnök tagjai. Az első ballonos teszteken látható cikkcakkos, több darabból álló formán már jelentősen sikerült egyszerűsíteni. Ha elkészül a végső változat, a gépészeké lesz a feladat, hogy kitalálják, hogy miből lehetne ezt létrehozni, és hogyan lehetne összecsomagolni úgy, hogy szállítás közben lehetőleg ne nyíljon ki, és ne feszítse be a műholdat, az űrben azonban gond nélkül üzembe tudjon állni.
A már említett ballonos kísérletekből eddig háromra került sor, ezek során a rendszer különböző elemeit tesztelték a fejlesztők. Az első felbocsátás még teljesen saját szervezésben, saját ballonnal és gázzal ment, azóta azonban az Országos Meteorológiai Szolgálat támogatni kezdte a projektet. Az OMSZ évi három ingyenes ballonfelbocsátást vállalt, így 2014-ben még egy ilyenre kerülhet sor, ez várhatóan október elején lesz.
A kísérletek némelyike meglehetősen kalandosnak bizonyult, az első alkalommal például egy méretes akácfán akadt fönn a ballon, és kiderült, hogy a mászófelszerelés mellett néhány fűrész sem árt a lufik levadászásához. Ami a méréseket illeti, az első két kísérlet során a GPS hibájából nem sikerült a teljes utat végigmérni: először 18 kilométer után veszett el a jel, másodszor pedig 12 kilométeren kezdődtek a problémák, a flight módba kapcsolt készülék ugyanis a nagy hideg miatt újraindult, és alapüzemmódban folytatta a méréseket. A spektrumok rögzítése azonban ezalatt hibátlanul működött.
Harmadik próbálkozásra azonban végre sikeres volt a teljes magasságprofil végigmérése. A ballon egy picivel 30 kilométer fölé emelkedett, majd mivel előzőleg jól telefújták, kidurrant, és a rászerelt ejtőernyővel először gyors, majd egyre lassuló ereszkedésbe kezdett. A megfelelő ernyőre azért van szükség, hogy lefelé jövet ne sodródjon el túlságosan messzire a rakomány, továbbá a földet érés során se sérüljön a szerkezet. Egy hasonló angol kísérlet során a jóval puhábbra fújt ballon maradványai Kínában értek földet, ezt azonban a műegyetemi csapat mindenképp szerette volna elkerülni.
A mérés során kis magasságokban világosan kirajzolódtak a magyar adók jelei, majd ahogy egyre feljebb ért a műszer, a távolabbi európai adóké is. A negyedik kísérletnél azt tervezik a fejlesztők, hogy a mérés idején BME E épületének tetejéről is elindítanak egy adást, és ezt használva referenciaként megpróbálják azt is megállapítani, hogy különböző bemért jelek milyen távolságból érkezhetnek.
4. oldal
A jelenlegi tervek szerint az űrben a mérés úgy fog zajlani, hogy a műszer 9 másodpercig mér, majd egy másodpercig helyzetjelent, amikor pedig Magyarország fölé ér, lesugározza az addig begyűjtött adatokat. Persze időzített adásra is lesz lehetőség, amennyiben a világ más tájairól vállalkozó szellemű rádióamatőrök jelentkeznek. Végeredményként egy, a fényszennyezettséghez hasonló térképet várnak a fejlesztők, a tehetősebb országokban vélhetően erősebb, a szegényebb területeken pedig valószínűleg gyengébb elektroszmog-kibocsátással. A kísérlettel egyrészt arra szeretnék felhívnia figyelmet, hogy mennyi felesleges sugárzás jut ki a világűrbe, amely minőségileg ugyanúgy szennyező hatású, mint a jóval alaposabban tanulmányozott fosszilis tüzelőanyagok égése során keletkező gázok, azonban előbbi eddig igen kevés figyelmet kapott. A másik, ezzel összekapcsolódó cél, hogy a jövőben a BME−1 által mért adatokat figyelembe lehetne venni az adótornyok tervezésekor, illetve amíg fent van a műhold, addig is lehetne különböző teszteket végezni az adótornyok beállításaival.
Józsa Viktor elmondása szerint saját csoportjának idei célja, hogy elkészüljön a rendszer geometriája, egy 3D-s modell, és készen legyenek az első szimulációk. A Műszaki Mechanikai Tanszéktől kapott pályaszimulációs rendszert továbbfejlesztve, a napelemek működésének modellezésével, a hőmérsékleteloszlás becslésével és a forgás figyelembe vételével egy olyan műholdszimulátort szeretnének létrehozni, amellyel mindenféle körülmények közt vizsgálhatják az űreszköz viselkedését még az indítás előtt.
A projekt finanszírozása egyetemi erőforrásokból, illetve támogatók bevonásával történik. Az indítási költség jelentősen olcsóbb mint Masat−1-é volt: 80 ezer helyett csak 15 ezer euróba kerül. A támogatók közt a BME Energetikai Gépek és Rendszerek Tanszéke, az Elektronikai Technológia Tanszék, a Szélessávú Hírközlés és Villamosságtan Tanszék és a Műegyetemi Rádió Club mellett ott találjuk az OMSZ-t, a Nemzeti Média- és Hírközlési Hatóságot, illetve a Via-Pontis Kft. is, ez azonban a végleges megvalósításhoz nem lesz elég. A csapat tehát továbbra is várja a szponzorok jelentkezését, és mindenféle támogatást örömmel fogad.
A projekt hangsúlyozottan oktatási célzatú, tehát a hallgatók bevonása és praktikus tudáshoz juttatása az elsődleges. A fejlesztésben részt vevő oktatók igyekeznek minél fiatalabb hallgatókat bevonni a munkába, hogy egyetemi tanulmányaik időtartamába még a műhold elindítása és üzembe állása is beleférjen. Jelenleg már több TDK-dolgozat, a jövőben pedig remélhetőleg több szakdolgozat is készülhet a fejlesztés során összeszedett adatokból és tapasztalatokból. A projektben teljesen önkéntes alapon résztvevő oktatók elsősorban magas szintű kihívások elé akarják állítani a hallgatókat, és lehetőséget szeretnének biztosítani számukra, hogy értékes gyakorlati tudást szerezzenek.
Emellett persze az sem mellékes szempont, hogy az ilyen kezdeményezések révén talán lassacskán be lehetne hozni az űripart Magyarországra, és bekapcsolni az itthoni, tudásukban, tájékozottságukban erre potenciálisan alkalmas szakembereket a nemzetközi űripar vérkeringésébe. „Űrnagyhatalom nem leszünk, de mindenféleképpen érdemes kilépni a nemzetközi színtérre a hasonló kísérletekkel, mert ezek bizonyítékok arra, hogy van ott keresnivalónk, és komolyabb projekteket is ránk bízhatnak, mert hatékonyan és jól meg tudjuk ezeket oldani” − mondja Józsa Viktor.
A csapat jelenlegi tagjai:
Dr. Gschwindt András − BME−1 projektvezető
Dudás Levente – a kommunikáció és a spektrummonitor kísérlet felelőse
Szűcs László − antennatervezés
Légrádi Máté − antennatervezés
Józsa Viktor – a hőtechnikai és mechanikai modellezés csoport vezetője
Jáger Dávid − mechanikai modellezés, hőtechnikai VEM analízis
Katona Krisztina − konstrukciós tervezés, anyagjellemzők meghatározása a VEM analízishez
Ötvös Vivien − konstrukciós tervezés, anyagjellemzők meghatározása a VEM analízishez
Sipos Anna Ilona − egydimenziós hőtechnikai modellezés, előzetes hőtechnikai becslések készítése
Török Péter − mechanikai modellezés, hőtechnikai VEM analízis
Olaszi Bálint − napelemek vizsgálata, energiamenedzsment
Hödl Emil Viktor − energiaellátás alrendszer felelős
Herman Tibor − energiaellátás fejlesztő
Paár Marcell Gábor − mechanikai tesztelés
Mucs Béla – a ballonos kísérletek tanácsadója
A cikkben közölt fotókat és információkat köszönjük a BME−1 fejlesztőinek!
