W ostatnich latach można zauważyć coraz większy udział Cubesatów w najróżniejszych misjach kosmicznych. Zapraszamy do artykułu Karola Wojsława podsumowującego różne zastosowanie tego standardu satelitów.
Od czasów pierwszych komputerów ludzie wytrwale dążą do rozwijania technologii poprzez kompresowanie elementów i całych urządzeń, redukując wielkość, przy zachowaniu tej samej pełnej użyteczności. Fakt ten został zaobserwowany w przypadku chociażby układów scalonych i mówi o nim znane wielu Prawo Moore’a. Miniaturyzacja jest widoczna w samej elektronice, czy też mechanice, ale ma również widoczny wpływ na inne bardziej rozbudowane dziedziny, np. technologie kosmiczne.Stosunkowo dobrym przykładem w tym wypadku wydaje się porównanie komputera pokładowego z modułu dowodzenia, a także lądownika księżycowego misji Apollo, z komputerem pokładowym stworzonego na zlecenie NASA lądownika InSight, który jest właśnie w drodze na Marsa. Trudno tutaj o konkretne porównanie, ponieważ urządzenia te różnią się na wielu płaszczyznach, jednak fakt, że ta pierwsza misja operowała na około 74kB [1] pamięci stałej, natomiast druga pamięci nieulotnej posiada aż 64 GB [2] , czyli ponad 100 000 razy więcej. Pokazuje to jak bardzo miniaturyzacja stała się obecna w przemyśle kosmicznym.
Cubesaty – prawdziwa miniaturyzacja satelitów
Mimo wspomnianego przed chwilą faktu, wiele satelitów, sond i innych kosmicznych konstrukcji nadal jest tej samej wielkości co chociażby 30 lat temu. Nie oznacza to oczywiście, że operują one na tym samym poziomie. Wraz z rozwojem technologi i miniaturyzacją urządzenia stosowane w kosmosie mają coraz lepsze parametry i są w stanie wykonywać coraz bardziej zaawansowane zadania.
…A co jeśli spróbowalibyśmy wykorzystać ten fakt w drugą stronę i zachowując tą samą niewielką użyteczność, zmniejszyć satelity do rozmiarów małej kostki, np. o rozmiarze 1dm3? Chodzi oczywiście o Cubesaty, czyli klasę nanosatelitów o masie poniżej 10kg. Są one tworzone w standardzie sześciennych konstrukcji, których wymiary, to około 10 cm x 10 cm x 11 cm (1U = 1 Unit). Mogą być one łączone w większe klastry o wielkości 2U, 3U, 6U lub nawet 12U [Standardowo 1U waży około 1kg].
Konstrukcja wraz z elektroniką Cubesata 1U
Pierwszy satelita w standardzie Cubesat to efekt współpracy profesora California Polytechnic State University – Jordi Puig-Suari oraz profesora Stanford University’s Space Systems Development Laboratory – Boba Twiggs. To właśnie oni w roku 1999 rozpoczęli projekt, który zakończył się w maju roku 2003 wyniesieniem na orbitę pierwszego Cubesata na pokładzie rosyjskiego statku kosmicznego Eurockot. Celem przedsięwzięcia było ułatwienie studentom dostępu do niesamowitego środowiska badawczego oraz doświadczalnego, jakim jest przestrzeń kosmiczna. Od tego czasu częstotliwość wysyłania Cubesatów rośnie praktycznie każdego roku, o czym mowa w dalszej części. Zaletą tworzenia tak małych konstrukcji jest możliwość umieszczania ich jako dodatkowe, ponadprogramowe, ładunki podczas startu rakiet wynoszących większe i droższe satelity na orbitę okołoziemską. Taka forma sprawia, że koszty znacząco się zmniejszają, a misje stają się wykonalne nawet dla niewielkich instytucji, czy też prywatnych przedsiębiorstw.
Rynek Cubesatów w Polsce i na Świecie
Według danych nanosats.eu, do 1 stycznia 2018 roku wypuszczono 811 Cubesatów (około 10% (= 86) uległo zniszczeniu już przy starcie), z czego 560 znajdowało się wtedy nadal na orbicie. Konkretniejsze dane możemy otrzymać, na przykład analizując artykuł “The First One Hundred CubeSats: A Statistical Look” opublikowany przez Michaela Swartwout, w którym omawia dane z projektów ponad 100 Cubesatów wysłanych przed rokiem 2013. Większość wyniesionych do tego czasu nanosatelitów, to konstrukcje stworzone do edukowania (37%), testowania technologii (34%), oraz badań naukowych (23%).
Wykres przedstawiający ilość wyniesionych nanosatelitów w zależności od podmiotu odpowiedzialnego za konstrukcję. Źródło: Nanosatellite database, Erik Kulu
W Polsce rynek cubesatów dopiero raczkuje. Powstało kilka projektów związanych z wyniesieniem ładunku typu Cubesat na orbitę, a niektóre z nich nawet zakończyły się sukcesem. W przestrzeń kosmiczną zostały wysłane 3 polskie sztuczne satelity (PW-Sat [Politechnika Warszawska, CBK PAN; 2012], Lem [CBK PAN, 2013] oraz Heweliusz [CBK PAN, 2014]). PW-Sat oraz jego następca, który poleci na orbitę w ciągu kilku miesięcy są własnie CubeSatami.
Jak pokazują dane zebrane w Nanosatellite database, w roku 2021 liczba wyniesionych nanosatelitów ma być niemal dwukrotnie większa niż w 2017 roku, co pokazuje prędkość wzrostu zainteresowania tą częścią sektora kosmicznego. W tym samym źródle odnaleźć możemy również informacje na temat najczęściej stosowanej konfiguracji: 3U (44%), 6U (18%) oraz 1U (15%). Jak widać, jest to obszar rozwijający się w zawrotnym tempie, jednocześnie odnoszący się do najmniejszych i najmniej skomplikowanych konstrukcji. Z racji zwiększonego zainteresowania, pojawia się również coraz więcej materiałów naukowych na temat Cubesatów, co znów dalej wpływa na zwiększanie się ilości projektów.
Wykres przedstawiający ilość wyniesionych nanosatelitów w zależności od roku. Źródło: Nanosatellite database, Erik Kulu
Czy Cubesaty mogą być czymś więcej niż tylko projektem edukacyjnym?
Tak jak już było wspominane w tym artykule, głównym celem stworzenia standardu Cubesat było ułatwienie studentom tworzenia prostych nanosatelitów w celach edukacyjnych i badawczych. Wydaje się jednak, że część osób nie docenia ważnej roli jaką odgrywają te rodzaje konstrukcji w rozwoju technologii kosmicznych. Przykłady pokazują, że projekty tego typu często nie tylko rozwijają przyszłą kadrę inżynierów kosmicznych, ale również mogą pełnić ważne, niebanalne role, pomagając swoją pracą podczas innych większych misji; testując przyszłe rozwiązania, które będą mogły być zastosowane w przemyśle; wspierając badania naukowe, udostępniając zebrane przez nie dane; ułatwiając pracę administracji publicznej, a nawet tworząc podstawy innowacyjnych i silnych biznesów. Przegląd warto zacząć właśnie od ostatniej z wymienionych możliwości, ponieważ jest z nią związana jedna z ciekawszych historii w tym sektorze.
Nanosatelitarny biznes na przykładzie Planet
Rok 2010, trzech byłych pracowników Nasa zakłada w Cupertino (Kalifornia) niewielką firmę, wtedy jeszcze pod nazwą Cosmogia, której siedziba, w typowy dla start-up’u z doliny krzemowej sposób mieści się w garażu. Idea jest prosta: stworzyć satelity monitorujące Ziemię każdego dnia i sprzedawać zdjęcia zainteresowanym podmiotom (firmom, rolnikom, instytutom naukowym itd.). Już po 3 latach działalności zespół skonstruował i wysłał na orbitę dwa demonstracyjne nanosatelity wykonujące fotografie powierzchni naszego globu (Dove 1 oraz Dove 2). Po kolejnych dwóch latach niezwykle aktywnego rozwoju firma uzyskała fundusze w wysokości prawie 100 milionów dolarów, a w 2017 roku Google sprzedał swoją konstelację satelitów, w zamian za udziały w spółce i podpisał wieloletnią umowę na zakup danych obrazowania SkySat. Aktualnie Planet (dawniej Planet Labs) zatrudnia 480 pracowników w swoich 6 biurach na całym Świecie, skonstruował i umieścił na orbicie ponad 300 nanosatelitów [3] i jest wart setki milionów dolarów [4].
Wypuszczenie z ISS na orbitę dwóch pierwszych satelitów Flock 1 stworzonych przez Planet. Źródło: NASA
W listopadzie 2017 roku na blogu przedsiębiorstwa pojawiła się informacja o zakończeniu “Mission 1”. Oznacza to, że od tego momentu, co 24 godziny satelity dostarczają zdjęcia całej Ziemi. Każdego dnia z niskiej orbity okołoziemskiej do biur Planet trafia 1,4 mln 29-mega pixelowych zdjęć, obejmujących 300 mln km2, które generują 6 terabajtów danych [5]. Są one dostarczane do klientów z ponad 100 krajów, a potem wykorzystywane w rolnictwie, edukacji, zarządzaniu kryzysowym, energetyce, finansach, leśnictwie, rynku ubezpieczeniowym itd..
To bardzo dobry przykład innowacyjnego biznesu, który oparł swoje usługi właśnie o Cubesaty. Oczywiście wiele osób szybko zauważy, że nie ma wiele tego typu przypadków w historii omawianych sześciennych satelitów. Będą oni mieli rację. Nie łatwo znaleźć większą liczbę firm opartych na tego typu technologii, jednak mimo wszystko Planet udowadnia, że jest to jak najbardziej realne i tego typu konstrukcje również mają sensowne ekonomicznie zastosowanie, a firmy takie jak Planet są w stanie oferować realne produkty, na które popyt w najbliższym czasie będzie prawdopodobnie tylko rósł.
Mars Cube One – Cubesaty jako wsparcie w trakcie większych misji
Cofnijmy się jednak od pieniędzy z powrotem do nauki. Czy Cubesaty mogą być wykorzystywane poza orbitą Ziemską jako wsparcie dla większych misji? Otóż okazuje się, że mogą! W ramach misji InSight, która w ostatnim czasie cieszyła się sporą popularnością między innymi ze względu na użycie w niej polskiego instrumentu, zostały również wysłane w stronę Marsa dwa Cubesaty. Mars Cube One A (MarCO-A) i Mars Cube One B (MarCO-B) będą pierwszymi tego typu urządzeniami, operującymi tak daleko od naszej Planety.
Główny cel projektu to przetestowanie możliwości nanosatelitów w misjach pozaziemskich, ale rola MarCO nie kończy się na tym. Jednym z ich zadań jest wsparcie komunikacji między lądownikiem, a centrum kontroli lotu, w trakcie etapu wchodzenia InSight w atmosferę Czerwonej Planety. Nie są one wprawdzie elementem krytycznym całego systemu i ich nieprawidłowa praca nie będzie miała wpływu na powodzenie całej misji, jednak stanowią one jak najbardziej realną pomoc. Ciekawostką jest to, że oba satelity są identyczne i ich podwojenie jest tylko formą zabezpieczenia na wypadek, gdyby jeden z nich nie zadziałał.
Jak widać zastosowanie dla Cubesatów można znaleźć również przy dużych misjach badawczych, nawet poza orbitą Ziemi. Co prawda na ten moment urządzenia tego typu nie są w stanie pełnić zbyt istotnych ról w misjach takich jak InSight ze względu, chociażby na zbyt duże prawdopodobieństwo ich nieprawidłowego działania, jednak w przyszłości, podobne dodatkowe ładunki mogą pełnić funkcję elementów wspierających wykonanie głównego bardziej zaawansowanego zadania.
Cubesaty, jako platformy testowe
Jak już zauważyliśmy, Cubesaty mogą być podstawą działających biznesów, a także pełnić funkcję pomocników w trakcie złożonych misji. Rola tych niewielkich satelitów nie kończy się jednak na tym. Przykład innego ich zastosowania możemy znaleźć wyjątkowo blisko, a dokładniej mówiąc w Studenckim Kole Astronautycznym Politechniki Warszawskiej. To w ramach właśnie SKA studenci od ponad 5 lat pracowali nad PW-Sat 2, który prawdopodobnie już za kilka miesięcy zostanie wyniesiony na orbitę.
Problem śmieci kosmicznych w ostatnim czasie stał się niezwykle głośnym tematem. Oczywiście nie bez powodu. Dane NASA z 2009 roku szacują, że odpadów powyżej 1cm średnicy na orbicie może znajdować się ponad 500 000. Zadaniem konstruowanego satelity jest przetestowanie rozwiązania, które ma znacząco przyspieszyć proces deorbitacji niedziałających już urządzeń, przyczyniając się do zatrzymania dalszego procesu zaśmiecania kosmosu. Precyzyjniej mówiąc, PW-Sat 2 ma sprawdzić działanie innowacyjnego systemu deorbitacji w postaci żagla o powierzchni 4 m², który spowolni prędkość Cubesata, co w efekcie spowoduje obniżanie się orbity i końcowe spalenie w atmosferze.
Wydaje się, że zadanie drugiego satelity z Politechniki Warszawskiej (po PW-Sat) jest wyjątkowo ważne – Cubesaty mogą również służyć jako niezwykle tanie platformy testowe dla rozwiązań, które później mogą być stosowane w droższych i bardziej zaawansowanych konstrukcjach bez ryzyka, że innowacyjne systemy nie zadziałają.
Nanosatelity pomocą dla administracji publicznej
Przykłady, o których była na razie mowa, są stosunkowo znane i wielu kojarzy je przynajmniej z nazwy. Przenieśmy się więc w inny sektor i przyjrzyjmy się nieco mniej popularnej misji, a mianowicie AISSat. Na tę konstelację składają się 3 satelity (z czego niestety trzeciej nie udało się umieścić na orbicie) i zostały one zbudowane na zlecenie rządu Norwegii. Ich zadaniem jest przede wszystkim kontrolowanie wód terytorialnych właśnie tego państwa. To świetny dowód, że nieco bardziej skomplikowane nanosatelity mogą pełnić już poważną i niezwykle przydatną rolę w administracji. Przydatną dlatego, że standardowo transpondery AIS umieszczone na statkach można śledzić dopiero, kiedy znajdą się w promieniu około 50 km od wybrzeża, natomiast zastosowanie platformy satelitarnej znacznie zwiększa nadzorowany obszar, tym bardziej w miejscach, w których standardowe stacje odbiorcze się nie sprawdzają, ze względu chociażby na ukształtowanie terenu [6].
Sama konstrukcja ma masę około 6kg, jednak jej wielkość odpowiada 8U, czyli (20 x 20 x 20) cm. Orbita, z której korzystają, oscyluje w granicach 600km i inklinacji ~98°, czyli jest ona bliska orbicie okołobiegunowej. Z całą pewnością ten satelita cechuje się znacznie bardziej skomplikowaną budową niż większość studenckich konstrukcji, jednak – podobnie jak konstelacja firmy Planet pokazuje, że urządzenia te mimo swojej prostoty są w stanie być podstawą dużych firm – tak Norwegia i AISSat pokazują, że rząd zdecydowanie może wykorzystywać tę technologię w celu usprawnienia zarządzania krajem, jednocześnie rozwijając naukę.
Podsumowanie
Dove, Mars Cube One, PW-Sat 2, AISSat, to tylko nieliczne z bardzo wielu przykładów projektów związanych z Cubesatami, których zadanie nie kończy się na edukowaniu przyszłych inżynierów kosmicznych. Należy pamiętać, że również kształcenie przyszłych kadr, jest niezwykle ważnym zadaniem. Tym bardziej tyczy się to Polski, w której sektor kosmiczny w ostatnim czasie bardzo wyraźnie się powiększa, a co za tym idzie, potrzebuje również nowych pracowników, którzy swoją wiedzą i doświadczeniem będą w stanie dalej rozwijać tę część gospodarki. Jednak to, co miał na celu ten artykuł, to pokazanie, że nie należy bagatelizować tego typu przedsięwzięć. Ich potencjał zdecydowanie da się wykorzystać i to w najróżniejszy sposób. Polska pod względem korzystania z przestrzeni kosmicznej, jak i płynących z niej danych, dopiero zaczyna się rozwijać w tej dziedzinie. Patrząc jednak na działania podmiotów z naszego krajowego sektora kosmicznego albo chociażby Polskiej Agencji Kosmicznej, możemy mieć pewność, że wszystko jest na dobrej drodze i jest tylko kwestią czasu, aż kosmos i jego możliwości znajdą większe zastosowanie również u nas.
Źródła:
[1] https://pl.wikipedia.org/wiki/Komputer_pok%C5%82adowy_w_programie_Apollo
[2] https://www.jpl.nasa.gov/news/press_kits/insight/mission/spacecraft/
[3] http://www.nanosats.eu
[4] https://en.wikipedia.org/wiki/Planet_Labs
[5] https://www.planet.com/pulse/mission-1/
[6] http://space.skyrocket.de/doc_sdat/aissat-1.htm
Dziękujemy Panu Karolowi Wojsławowi za nadesłanie tekstu.
