Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 31 – vyšlo 8. září, ročník 15 (2017) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

31/2017

Co umí česká družice VZLUSAT-1?

Veronika Stehlíková, Ladislav Sieger

V minulém bulletinu jsme se seznámili s nanosatelity rodiny CubeSat. Jeden z nich má český rodokmen a od června 2017, kdy byl vyslán na oběžnou dráhu indickou kosmickou agenturou ISROISRO – Indian Space Research Organisation, Indická kosmická agentura, která byla založena v roce 1969 a má na starosti indický vesmírný program. Rozpočet této státem řízené organizace je přibližně 2 miliardy USD ročně (2014). Organizace má přes 20 000 zaměstnanců. První úspěšná družice Aryabhata byla vypuštěna Sovětským svazem v roce 1975. V roce 1980 umístili Indové zcela samostatně na oběžnou dráhu Země družici Rohini. ISRO provozuje telekomunikační satelity INSAT a satelity IRS pro dálkový průzkum Země. V roce 2014 byla navedena na oběžnou dráhu kolem Marsu indická sonda Mangalyaan., krouží nad našimi hlavami. Na jeho vývoji se podílelo více než 30 nadšenců, kteří se jen výjimečně setkali spolu, protože jsou z různých podniků, vysokých škol a výzkumných ústavů, mj. i z Českého vysokého učení technického v Praze. Celý tým a jeho náročnou práci si ale představíme až příště. Dnes se zaměříme na to, co česká družice VZLUSAT-1 umí a jaká vlastně je.

Vývoj družice VZLUSAT-1. Na výšku má dvě základní jednotky.
Zdroj: FEL ČVUT v Praze.

ISRO – Indian Space Research Organisation, Indická kosmická agentura, která byla založena v roce 1969 a má na starosti indický vesmírný program. Rozpočet této státem řízené organizace je přibližně 2 miliardy USD ročně (2014). Organizace má přes 20 000 zaměstnanců. První úspěšná družice Aryabhata byla vypuštěna Sovětským svazem v roce 1975. V roce 1980 umístili Indové zcela samostatně na oběžnou dráhu Země družici Rohini. ISRO provozuje telekomunikační satelity INSAT a satelity IRS pro dálkový průzkum Země. V roce 2014 byla navedena na oběžnou dráhu kolem Marsu indická sonda Mangalyaan. Nanosatelity – satelity s hmotností kolem 1 kg a rozměry přibližně 10 cm. Jsou často vynášeny do vesmíru ve větším množství, jako tomu je například při některých startech nosných raket Vega, Atlas V nebo Falcon 9. Do jejich vyřazení roku 2018 byly k těmto misím využívány i rakety Delta II. Nejznámější projekt týkající se nanosatelitů je CubeSat, kde mají nanosatelity tvar krychliček o hraně 10 cm. Termosféra – horní vrstva atmosféry, sahá od konce mezosféry (ve výšce 80 km) přibližně do vzdálenosti 700 km od povrchu. Teplota s nadmořskou výškou stoupá, nejde ale o skutečnou teplotu látky, neboť střední volná dráha částic je mnoho kilometrů. Součástí termosféry je ionosféra. Ve 100 kilometrech se nachází Karmánova hranice, nad kterou jsou provozovány družice.

Parametry družice

Základní parametry družice byly podmíněny zaštiťujícím projektem QB50, který předepisuje maximální hmotnost a také podmínky, za kterých musí být družice před startem testována. Na jednu jednotku/modul (1U) nesměla hmotnost přesáhnout jeden kilogram a délka hrany jeden decimetr. Podmínky mise umožňovaly základní 1U jednotky spojovat do celků, například s výškou dvou základních modulů (2U), s určitou tolerancí ve směru nejdelší hrany, která je dána uspořádáním vystřelovací komory. Tato standardizace umožňuje použití modulů třetích stran, případně recyklaci vlastních dříve navržených jednotek v případě, kdy jeden tým plánuje vypustit takovýchto satelitů v budoucnosti více. VZLUSAT-1 je 2U satelit s vnějšími rozměry 100×100×230 mm. Na oběžné dráze navíc družice vyklopila solární panely a optiku, výsledná letová velikost je 100×100×340 mm. Finální hmotnost celého satelitu je 1,83 kg a napájecí výkon povolené dva watty. Družice komunikuje se Zemí v radioamatérském pásmu na frekvenci 437,240 MHz.

Experimenty na palubě satelitu

Technologický satelit nese tři hlavní experimenty podpořené řadou dalších měření monitorujících celkový stav družice. Z důvodu omezených možností napájení a značné energetické náročnosti některých experimentů – například pořizování snímků rentgenovým teleskopem vyčerpává téměř celou energii baterií – budou experimenty zapínány jednotlivě podle stanoveného plánu.

Jedním z experimentů je nezobrazující vyklápěcí rentgenová optika typu račí oko (Lobster eye) s ohniskovou vzdáleností 25 cm, jejíž optická dráha prochází tělem satelitu. Rentgenové paprsky, jejichž zdrojem je především Slunce, dopadají na pixelový detektor TIMEPIX, který pracuje v několika režimech a poskytuje informace o energii a množství dopadajících fotonů. TIMEPIX dokáže zachytit fotony o energii 3 keVElektronvolt – jednotka energie. Jde o energii, kterou získá elektron urychlením v potenciálovém rozdílu jeden volt, 1 eV = 1,6×10⁻¹⁹ J. V jaderné fyzice se používají spíše větší násobky této jednotky, kiloelektronvolt keV (10³ eV), megaelektronvolt MeV (10⁶ eV), gigaelektronvolt GeV (10⁹ eV), teraelektronvolt TeV (10¹² eV) nebo petaelektronvolt PeV (10¹⁵ eV). V těchto jednotkách se také vyjadřuje hmotnost (E=mc²) a teplota (E=k_BT). Jeden elektronvolt odpovídá teplotě přibližně 11 600 K. a vyšší, plánovaný rozsah měření je 3 až 60 keV. Uspořádání experimentu umožňuje sledovat rentgenové zdroje a zpracovávat jejich spektra ve výseku oblohy o velikosti 3,5×4,5°.

Přístroj TIMEPIX. Na horním snímku je detail rentgenového detektoru. Na dolním snímku jsou sluneční fotony zachycené tímto přístrojem v rentgenovém oboru dne 21. srpna 2017. Barva pixlů odpovídá energii fotonů dle stupnice umístěné napravo. Dvě výrazné stopy nejsou fotony. Vlevo nahoře je pravděpodobně zachycený proton, v dolní části elektron. Zdroj: FEL ČVUT v Praze.

Problémem v kosmickém prostředí je poškození elektroniky dopadajícím zářením, především protony a neutrony. Toto záření může rovněž způsobovat změny buněčné informace živých organizmů. Proto jsou další měření věnována testům parametrů nově vyvinutého materiálu určeného k ochraně proti radiaci. Tento materiál je založen na bázi uhlíkového kompozitu – síti uhlíkových vláken nasycené polymerem, jenž obsahuje dopanty zvyšující radiační odolnost a pevnost při hustotě nižší než u běžně používaných kovů. Materiál je testován z hlediska účinnosti stínění komparativním měřením třemi PIN diodami, z nichž každá je jinak stíněna – wolframovou destičkou, zkoumaným kompozitním materiálem a bez stínění. Dále se zkoumá vliv kosmického prostředí na degradaci kompozitu, toto měření je založeno na změně vlastní frekvence materiálu v čase při měření tlumených kmitů vetknutého nosníku.

Příprava testů radiačního stínění. Zdroj:  VZLUSAT-1.

Pro aplikaci ve vakuu je velmi důležitým parametrem rovněž množství zbytkových látek, které jsou v materiálu obsaženy, především voda pocházející ze vzdušné vlhkosti. Tato zbytková vlhkost se ve vakuu začne uvolňovat do prostoru družice. Uvolněné látky mohou kondenzovat na detektorech či způsobit zkrat. Satelit je vybaven speciálně vyvinutými senzory pro měření zbytkové vlhkosti ve vakuu.

Posledním z hlavních experimentů a jediným, který poskytuje vědecká a nikoli jen technologická data, je experiment FIPEX, jenž detekuje molekulární kyslík a další částice na oběžné dráze. Satelit obíhá v termosféřeTermosféra – horní vrstva atmosféry, sahá od konce mezosféry (ve výšce 80 km) přibližně do vzdálenosti 700 km od povrchu. Teplota s nadmořskou výškou stoupá, nejde ale o skutečnou teplotu látky, neboť střední volná dráha částic je mnoho kilometrů. Součástí termosféry je ionosféra. Ve 100 kilometrech se nachází Karmánova hranice, nad kterou jsou provozovány družice. (ve skutečnosti je zde z hlediska laboratoře hluboké vakuum), kde jsou zbytkové molekuly kyslíku způsobující erozi družic a dalších umělých těles. Rychlost oběhu družice je zhruba 8 km/s (1. kosmická rychlost) a touto rychlostí naráží do povrchu družice veškeré částice, které jsou vůči Zemi v klidu. Smyslem experimentu je zjistit, jak velké je množství těchto částic a jak intenzivní jsou s tím související erozivní jevy. Umístění experimentu FIPEX na družici bylo jednou z podmínek poskytnutí finančního příspěvku projektem QB50.

Přístroj FIPEX je umístěn v nejspodnější části družice. Zdroj: VZLUSAT-1.

Odkazy