Technology

Dudás Levente, Gschwindt András és Nagy András, kezükben a műholdakkal
Dudás Levente, Gschwindt András és Nagy András, kezükben a műholdakkal
Forrás: IT-Business
Parányok 365 kilométer magasan

Világelső magyar műholdak

December eleje óta két magyar zsebműhold is kering és üzemszerűen működik Föld körüli pályáján. A több szempontból is világelsőnek tekinthető berendezések nem csak műszakilag tekinthetők bravúrnak, de hasznos tevékenységet is végeznek, megágyazva ezzel a Műegyetemen hamarosan meginduló űrmérnök-képzésnek.

„Mi van a kezemben? – kérdi a japán mérnök. – Hifi-torony? – Igen, de mennyi?” Az 1980-as évek klasszikus viccét ma akár a BME Villamosmérnöki és Informatikai Kara Szélessávú Hírközlési és Villamosságtan Tanszékének (SzHVT) oktatói is mesélhetnék, csak hifi-torony helyett műholddal. A december 6-án sikeresen pályára állt két magyar műhold egyike, a SMOG-P ugyanis csak 5×5×5 centiméteres élhosszúságú, és ezzel jelenleg a világ legkisebb működő műholdjának számít, miközben tudományos méréseket végez. A másik magyar műhold, az ATL-1 pontosan kétszer ekkora, 5×5×10 centiméteres,  magánkezdeményezésre jött létre, és kereskedelmi küldetést teljesít.

Nem ma kezdték

A mostani sikeres küldetés gyökerei messzire nyúlnak vissza. A Műegyetemen már az űrkorszak hajnalán bekapcsolódtak az űrkutatásba. Dr. Gschwindt András címzetes egyetemi docens, a műhold-építési projekt vezetője az 1960-as évek elején még diákként végzett műhold-megfigyeléseket, majd később a keleti blokkban készült műholdakhoz terveztek és építettek műszereket, részegységeket. A kezdeti sikereken felbuzdulva próbálkoztak teljes műhold építésével is, ám ez támogatók híján nem jött össze.

A lehetőség akkor csillant fel újra, amikor a 2000-es évek legelején Bob Twiggs, a Morehead State University professzora előállt egy alacsonyabb költséggel és gyorsabban elkészíthető miniműhold ötletével. Ez az ötlet kapóra jött - az informatika és az autóipar által elcsábított mérnökpalánták újra rátalálhattak az űrtechnológiában rejlő kihívásokra. A diákok ugyanis tanulmányaik alatt, annak szerves részeként egy komplett műhold megépítésében vehetnek részt, láthatják a fellövést és az irányításból is kivehetik a részüket. „Aki ezt egyszer végigcsinálja, azt örökre rabul ejti az űrtechnológia” – állítja magabiztosan Gschwindt András.

Az elképzelésből született meg 1999-ben a CubeSat dizájn, amely aztán de facto szabvánnyá vált. Ez egy nagyjából 10×10×10 centiméteres élhosszúságú, maximum 1,33 kilogrammos kocka. Az elmúlt húsz évben mintegy 1000 CubeSat műholdat lőttek fel; ilyen volt a 2012-es első magyar műhold, a MASAT-1 is. Annak elkészítése is jó hat évet vett igénybe, pedig nem volt más célja, mint bebizonyítani, hogy a BME oktatói és diákjai is képesek megépíteni, és irányítani a kis műholdat. A projekthez közel 50 támogatót tudtak megnyerni, és nekik is köszönhetően az a küldetés sikeres lett.

Megtalált misszió

A MASAT-1 sikere után a csapat szeretett volna egy nagyobb műholdat építeni, de annak horribilisek lett volna a költségei. Érdeklődésük ezért a nagyobb felől a kisebb felé fordult. Időközben ugyanis megszületett a CubeSat-nál nyolcszor kisebb méretű, vagyis 5×5×5 centiméteres, maximum 250 gramm (!) tömegű PocketQube formátum. „Amikor belevágtunk egy ilyen zsebműhold tervezésébe, még egyáltalán nem volt biztos, hogy ezt meg is lehet valósítani. Az informatika fejlődése révén ugyan egyre kisebbek lettek az alkatrészek, de működő példány nem volt még sehol 1 PQ méretben, így már a puszta megépítés is műszaki kihívást jelentett. És bár egy kisebb műhold kisebb költségeket is jelent, a második műholdra már nem könnyű szponzorokat találni, hiszen egyszer már bizonyítottuk, hogy képesek vagyunk működő műholdat az űrbe juttatni. Vagyis találnunk kellett valami hasznos küldetést, amihez támogatókat is találhatunk” – mesél a SMOG-P (és ikertestvére, a SMOG-1) születésének körülményeiről Gschwindt András.

Az Electron hordozórakéta a kilövőálláson
Az Electron hordozórakéta a kilövőálláson
Ezt a küldetés végül a digitális földfelszíni tévéadások (DVB-T) által keltett elektromágneses szennyezettség, az elektroszmog mérése lett (innen jött a műhold neve is). Ez egyre fontosabbá válik, a különféle frekvenciákon ugyanis annyi jel kerül feleslegesen kibocsátásra a Földön, hogy az egész bolygó egyetlen óriási elektromágneses zajgenerátor lett. A fényszennyezettséget mindenki látja, de az elektroszmog láthatatlan, legfeljebb a szakemberek találkoznak vele, hatása viszont mindenkit érint. (Az egyik legutóbbi, nagy port felvert eset, hogy az 5G mobilkommunikációra – egyebek mellett – kijelölt 24 GHz-es frekvencia nagyon közel áll a 23,8 GHz-es spektrumhoz, amit a meteorológiai műholdak használnak, ezért a meteorológusok attól félnek, sokat romlik az előrejelzések pontossága.) A SMOG-P egyik fő küldetése ezért az, hogy ennek az elektroszmognak a jelenlétét bizonyítsa, és ha elég adat gyűlik össze, akkor akár a Föld teljes felszínének szmogtérképét kirajzolja. A szmog-térkép lehetőséget adna a későbbiekben, a különféle légköri szennyezésekhez hasonlóan, az elektromágneses szmog mérésére is. A magyar kutatók arra már ígéretet kaptak az Európai Űrügynökségtől (ESA), hogy ha tudják bizonyítani a jelenséget, az ESA további segítséget nyújt a kutatásokhoz.

Az egyszerű jobb

Az ötlet megszületését a tervezés és az építés több éves időszaka követte. Ehhez csak kereskedelmi forgalomban készen kapható alkatrészeket használtak, mert csak így lehetett finanszírozni a projektet. Az űrminősített alkatrészek, amelyekből az „igazi”, kereskedelmi célú műholdak készülnek, százszor vagy akár ezerszer is többe kerülnének (bár az is igaz, hogy akár több évtizedes működést is garantálnak, míg a zsebműholdak élettartamát hónapokra tervezik). Szerephez jutott a mérnöki találékonyság is: kipróbálták, így kiderült, hogy a kerékpárok fék-bovdenje, vagy akár fém mérőszalag is kiváló (és olcsó) antenna lehet.

A zsebműholdak építői ezért gondosan válogatnak az alkatrészek között, majd tesztelnek, tesztelnek és tesztelnek. A részegységeket fel kell készíteni a Föld napos és éjszakai égboltja közötti hőingadozásra; az ebből fakadó hőtágulásra, ami igénybe veszi a forrasztásokat; a fellövés során jelentkező extrém rázkódásra és zajterhelésre. Ezek alapján választják ki a legjobbnak ígérkező alkatrészeket, amelyeket aztán duplikáltan építenek be a műholdba. Mindezeket be kell illeszteni egy komplex rendszerbe, biztosítani kell az áramellátást, a méréseket, az adattovábbítást.

A tervezés során érdemes az egyszerűségre törekedni. A SMOG-P (és a vele szinte mindenben megegyező SMOG-1) egyszerű kocka, amelynek mind a hat oldalát napelem borítja, így maximalizálva a felvehető energiát. A vele együtt fellőtt FossaSat-1-nek például kihajtható napelemei vannak, alattuk az antennával; csakhogy a napelemek nem nyíltak ki, így a kommunikáció is csaknem lehetetlen.

Tesztek 250 köbcentiméterben

A SMOG-1 és a SMOG-P építése során jelentkezett a csapatnál az ATL Kft., amelynek ügyvezető igazgatója, Nagy András korábban Gschwindt András tanítványa volt. Az ATL és stratégiai partnere, a H-ION Kft. kifejlesztett egy új, kizárólag alumínium-oxidból álló, porózus szerkezetű, speciális hőszigetelő anyagot, és ezt akarták valós világűri környezetben tesztelni.„A korábbi tapasztalatok alapján 2 PQ méretben továbbgondoltuk az ötletet, és megterveztük Magyarország első magánkezdeményezésű műholdját, az ATL-1-et. Bár a tervezési alapelvekben van hasonlóság a két műhold között, a célja és küldetése teljesen más. Ennek megfelelően szinte minden funkcionális részegységet újra kellett tervezni, más mérőműszereket beépíteni” – mondja dr. Dudás Levente, egyetemi adjunktus, a műhold projekt műszaki vezetője.

Az ATL-1 (balra) és a SMOG-P (jobbra) az Albapod kilökőszerkezetben
Az ATL-1 (balra) és a SMOG-P (jobbra) az Albapod kilökőszerkezetben
Az ATL-1-nek azért is kell nagyobbnak lennie, mert három teszt- és egy referenciaakkumulátort is beépítettek – magyarázza Nagy András. A referenciát hagyományos szigetelőanyaggal – kapton fóliával – védik az űrben jelentkező hőhatásoktól, a másik hármat pedig az új anyagcsaládból fejlesztett különféle rétegek változataival. Mindegyik réteg csupán alig egy milliméter vastagságban óvja az akkumulátorokat, a cél pedig annak kiderítése, hogy melyik struktúra hogyan viselkedik, és mennyire alkalmas a feladat ellátására. Ehhez számos hőérzékelőt helyeztek el a szigetelések alatt és a műhold belsejében, és ezek adatait küldi le az ATL-1.

Ezen anyagcsaládból létrehozott rétegek jelenlegi vizsgálata és tesztelése valós világűri környezetben túlmutat a jelenlegi funkcióján. Ugyanis az új struktúrájú anyagcsalád egyik nagy előnye a nagyon magas hőmérsékleten – akár 1800 °C-on – történő alkalmazás lehetősége. A másik kettő pedig a nagy porozitásból adódó kis tömeg és egyben jó hőszigetelő képesség. Így ezen három tulajdonság ideálissá teheti számos olyan alkalmazási területre – űrbéli és földi iparágak egyaránt –, amelyek számára a jelenleg használt és elérhető anyagok nem nyújtanak kielégítő megoldást.

 „Az adatok kiértékelése komoly munka lesz. Már ma is több adatot kaptunk az ATL-1-től, mint amennyit bármelyik korábbi, 2 vagy 3 PQ méretű zsebműhold továbbított. Bízunk abban, hogy az új anyagcsalád hamarosan nemzetközi karriert futhat be, akár az űriparban is”, teszi hozzá Nagy András.

Magánúton az űrbe

A kész műholdakat aztán pályára kell állítani, ami a PocketQube méret esetében – bevált gyakorlatok híján – nem is olyan egyszerű. A SMOG-1 indítása éveket csúszott (lásd keretes írásunkat), ami annyiban szerencsésnek bizonyult, hogy közben a technológia utolérte az igényeket. Egyrészt, egyre több magáncég vállalja műholdak alacsony pályára történő állítását, így a lehetőségek száma nő, áruk pedig csökken – az 1 PQ méretű műhold mintegy 20 ezer euróból felbocsátható. Másrészt a skóciai Alba Orbital cég előállt egy olyan platformmal, amely kifejezetten zsebműholdak pályára állítását teszi lehetővé. A SMOG-1 helyébe lépett SMOG-P (és vele az ATL-1) így az amerikai RocketLab magáncég Electron nevű rakétáján, az Alba Orbital Albapod v2 platformját használva jutott el az űrbe.

Kilövés nehezítve
Akár már évekkel ezelőtt is útnak indulhatott volna a második magyar műhold, amely amúgy nem is a SMOG-P, hanem annak ikertestvére, a SMOG-1 lett volna. (A SMOG-P – p, mint prekurzor – egy olyan hasonmás, amelyen elsődleges célja az lett volna, hogy a küldetés során földi teszteket végezzenek rajta.) A SMOG-1 pályára állítását számos akadály, köztük a nagypolitika is nehezítette.A zsebműholdat az Unisat-7 nevű, 32 kilogrammos olasz műholdba tették volna bele, az lökte volna ki az űrbe a megfelelő magasságon. Ám az olasz műhold nem készült el időben, a hordozóul választott ukrán Dnyepr hordozórakétához viszont orosz fokozat is kell, ami viszont az orosz-ukrán konfliktus miatt már nem jöhet szóba. Így a SMOG-1 a jelenlegi tervek szerint 2020. júniusában, egy Szojuz hordozórakéta fedélzetén, a Unisat-7 gyomrában jut el a világűrbe.

Ezzel együtt kell egy kis szerencse is a megfelelő űrjármű megtalálásához. Ha csak zsebműholdakat küldenének fel, az rendkívül drágává tenné a küldetést. Kell egy olyan missziót találni, amelynek során hasonló, 350-360 kilométeres magasságba terveznek műholdat küldeni, majd ahhoz mintegy „stopposként” becsatlakozni. Egy hordozórakéta ugyanis nem lift, nem áll meg különböző magasságokban; adott magasságú röppályára áll rá, ott szórja ki a műholdakat. Jelen esetben egy japán műhold mellé lehetett becsatlakozni; ez a tokiói olimpia megnyitója alatt néhány száz acélgolyót bocsát ki magából, mesterséges meteorzáporral emelve az esemény fényét.

Rádióamatőrök, figyeljetek!

Végül tavaly december 6-án, Új-Zélandról startolt el a rakéta. A japán műholdon kívül két pod volt rajta, az egyiken az Alba Orbital két saját gyártmányú, 3 PQ méretű (5×5×15 centiméteres) műholdjával, a másikon a SMOG-P-n és az ATL-1-en kívül két 1 PQ méretű műholddal, a TRSI-vel, illetve a FossaSat-1-gyel.Mind a két magyar műhold gond nélkül pályára állt és megkezdte működését, ami a többről nem mondható el. A FossaSat-1 jeleit ugyan már venni vélték, de a másik három nem adott életjelt magáról, így bátran kijelenthető, hogy saját méretformátumában mind a SMOG-P, mind az ATL-1 világelső a hasznos munkát végző műholdak között.

A két műholdat elsősorban a BME E épületének tetőterében található központból irányítják, ahová a tetőn elhelyezett, 4,5, illetve 3 méteres parabolaantennákból érkeznek a jelek. Mindkét műhold a 437 MHz-es rádióamatőr-frekvencián kommunikál (SMOG-P: 437,150 MHZ, ATL-1: 437,175 MHz), ezért az adatletöltéshez és az irányításhoz nem kell NASA-szintű felszereltség. Megfelelő antenna, előerősítő, számítógép és demodulátor program birtokában bármely rádióamatőr tudja venni a jeleket, mint ahogy már több tucatnyian vették is a világ körül – mondja Dudás Levente. Voltaképpen még ennyi sem kell a műholdak nyomon követéséhez: a WebSDR-nek köszönhetően böngészőből fogadhatók a jelek és (a jelszó birtokában) irányítható a műhold, vagyis a kutatók akár otthon, a kanapéról is meg tudják oldani a feladatot.

A rádióamatőr-kommunikáció a sávszélességet is meghatározza. A gigabitek világában kicsit meghökkentőnek tűnhet, hogy az adatátviteli sebesség többnyire 1250 bit/másodperc – ennyi az az adatmennyiség, amivel egy normál rádióamatőr vevőkészülék még elbír. Amikor a budapesti antenna látóterében van a műhold, a sebességet felnyomják 5 kilobit/másodpercre, mert úgy egységnyi energiafelhasználással nagyobb adatmennyiséget tudnak letölteni (ebben a sávban egyébként a maximálisan engedélyezett sávszélesség 12,5 kilobit/másodperc).

Alacsony röppályán

A SMOG-P és az ATL-1 nagyjából 365 kilométer magas röppályán kering a Föld körül. Ez nagyon is megfelel a zsebműholdaknak, azok ugyanis csak 300 milliwatt teljesítménnyel működnek, ennyiből kell az adatokat a Földre továbbítani –márpedig a jelerősség a távolság négyzetével arányosan csökken, magyarázza a fizikai hátteret Dudás Levente.

A pálya inklinációja (az Egyenlítővel bezárt szöge) 92 fokos. Keringési ideje nagyjából 90 perc, naponta 4-5-ször halad el Magyarország felett, egy-egy áthaladási idő 2-10 perc időtartamú. A geográfia azonban még itt is közbeszól: a Széchenyi-hegy és a rajta lévő adótorony pontosan olyan irányban van és olyan jeleket sugároz, amelyek a röppálya bizonyos szakaszain bezavarnak a vételbe.

A két műhold most nagyjából három perc különbséggel követi egymást, így két antenna kell követésükhöz. Ha hetek múlva legalább 10 perc lesz köztük, már lesz idő a nagy antennát alaphelyzetbe állítani a két áthaladás között.

A SMOG-P-n folyamatosan zajlanak a telemetriai mérések, illetve időzítetten egyéb adatokat is gyűjtenek. Ezeket vagy folyamatosan sugározza a műhold (és veszik a világon a rádióamatőrök), vagy késleltetve, Magyarország felett küldi le a központba. Az ideiglenes adattárolásra egy (illetve a redundancia miatt kettő) darab, 8 megabájtos flash memória szolgál. „Már a műhold működésének első néhány hete alatt rendkívül sok értékes adat gyűlt össze, részben telemetriai adatok, amelyekből a SMOG-P működésére következtethetünk, másrészt a spektrummérésekből. Utóbbi adatokat nem akarjuk kisajátítani, hanem nyilvánosan elérhetővé tesszük majd a honlapunkon, hogy minél többen kutathassák, és ténylegesen elkészülhessen a globális elektromágneses szennyezettségi térkép. Reményeink szerint itthon és külföldön több tudományos publikáció is születik majd az adatsorokból”, mondja Dudás Levente.

A hasznok azonban hosszabb távon is jelentkeznek majd. A földi vezérlőállomás infrastruktúrája olyan hátteret jelent, amely az európai egyetemek között is ritkaságszámba megy, a felhalmozott tudás révén pedig még könnyebben lehet további, akár kutatási, akár kereskedelmi célú műholdakat építeni. A civil űripar fejlődése révén hordozórakétát is egyre könnyebben, olcsóbban lehet majd találni, így semmi akadálya nincs annak, hogy a BME a zsebműholdak egyik európai központja legyen. Ennek érdekében a következő tanévben a BME-n elindul az űrmérnök-képzés is, ahol az oktatók már saját tapasztalataik alapján tudják átadni a tudást.