Artykuł o studenckim projekcie TOTORO, realizowanym przez Studenckie Koło Astronautyczne, działające przy Wydziale Mechanicznym Energetyki i Lotnictwa Politechniki Warszawskiej.
Redakcja serwisu Kosmonauta.net serdecznie dziękuje Panu Karolowi Breslerowi za przesłany tekst.
TOTORO (Test Observations of Transient Objects and Radio) – to projekt realizowany przez studentów, działających w Studenckim Kole Astronautycznym, działającym przy Wydziale Mechanicznym Energetyki i Lotnictwa Politechniki Warszawskiej. Projekt powstał w ramach międzynarodowego programu lotów stratosferycznych REXUS/BESUS.
1. Czym jest Rexus/Bexus
Program BEXUS, organizowany przez Szwedzką Narodową Agencję Kosmiczną (SNSA) oraz Niemieckie Centrum Aeronautyki i Astronautyki (DLR) przy wsparciu Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA), Centrum Badań w Warunkach Mikrograwitacji (ZARM) oraz konsorcjum EuroLaunch (operatora stratosferycznych lotów balonowych i rakiet sondujących) jest programem skierowanym do studentów uczelni europejskich (krajów członkowskich ESA). Umożliwia przejście przez pełny proces zaprojektowania, zbudowania, udokumentowania, przeprowadzenia oraz analizy wyników własnego eksperymentu stratosferycznego. Eksperymenty wynoszone są w gondoli balonowej (maksymalna masa całkowita: ~300 kg) na wysokości od 23 do 35 km nad powierzchnią Ziemi, ponad najgęstszą częścią ziemskiej atmosfery, w warunkach tzw. Blisko kosmicznych (near space).
TOTORO przeszło drogę od pomysłu naukowego, poprzez koncepcję i budowę prototypu, aż do startu i teraz jest na etapie analizy wyników. Przez całą tą drogę zespół był objęty opieką mentoringową dedykowanych pracowników z wspominanych wyżej agencji kosmicznych, co dało możliwość zebrania wiedzy od ekspertów międzynarodowej branży kosmicznej. To umożliwiło nie tylko zdobycie technicznego doświadczenia, ale również wiedzę o prowadzeniu takiego rodzaju projektów.
2. Naukowa misja TOTORO
Głównym celem eksperymentu jest rejestracja naturalnych emisji radiowych, powstających w ziemskiej atmosferze, w zakresie 10 kHz – 1 MHz. W tym zakresie częstotliwości występują fale typu Auroral Kilometric Radaition (AKR). Powstają, gdy wiatr słoneczny oddziałuje z ziemską magnetosferą. Ich rejestracja umożliwi analizę ich propagacji w jonosferze oraz zależność tego zjawiska od częstotliwości. Emisje AKR, którym często towarzyszą wiązki elektronów z obszaru akceleracji pola w dół do atmosfery, dostarczają ważnych informacji na temat sprzężenia magnetosfera-jonosfera-atmosfera. Dodatkowo, w analizowanym zakresie częstotliwości można tknę zrejestrować elektromagnetyczne markery TLE (Transient Luminous Events). Są to niezwykle szybkie wyładowania elektryczne występujące na wyższych poziomach chmur, niezwykle trudne do zaobserwowania
Najczęściej rejestracja takich zjawisk odbywa się za pomocą satelitów znajdujących się na niskich orbitach okołoziemskich. Umożliwia to zarejestrowanie sygnałów niewytłumionych przez ziemską atmosferę. Między innymi dlatego najważniejszym technicznym celem projektu było opracowanie bardzo czułego systemu umożliwiającego rejestrację sygnałów w docelowym zakresie. Schemat blokowy zaproponowanego rozwiązania widoczny jest na rysunku poniżej. Eksperyment TOTORO składał się z dwóch niezależnych systemów radiowych. W sercu każdego z nich znajdowały się dwa urządzenia: Raspberry Pi Zero 2 oraz dedykowany układ Software Defined Radio (SDR). Każdy z SDRów był podłączony do innego typu anteny: system pierwszy zbierał dane z anteny elektrycznej, zaś system drugi obsługiwał antenę magnetyczną. Rozwiązanie takie umożliwiło zaprojektowanie rozwiązania odpowiednio czułego odbiornika na dany typ propagacji.
Schemat blokowy eksperymentu TOTORO
Antena magnetyczna znajdowała się wewnątrz eksperymentu, zaś antena elektryczny została zamocowana około 1m pod gondolą. Dodatkowo, w każdy z systemów znajdował się także dedykowany zasilacz, układ akwizycji danych (prądy, napięcia, temperatury) oraz układ radiowy wzmacniający i filtrujący odbierany sygnał. Przesyłanie danych zapewniły systemy udostępnione przez operatora gondoli balonowej – Swedish Space Corporation. Dodatkowo, w kwietniu 2023 zostały przeprowadzone testy TVAC eksperymentu, które umożliwiły weryfikację termiki całego eksperymentu. Złożony eksperyment widoczny jest na rysunku poniżej, po jego zamocowaniu do lotnej gondoli.
3. Launch Campain
Lot TOTORO odbył się 21 września 2023 r. z kosmodromu Esrange Space Center, zlokalizowanego za kołem podbiegunowym. Kampania startowa trwała 10 dni, podczas których najpierw się odbył szereg testów indywidualnych eksperymentu, następnie integracyjnych z główną gondolą oraz interferencyjne testy z innymi eksperymentami lecącymi z TOTORO na tej samej gondoli.
4. Wstępny wyniki
Podczas misji system działał zgodnie z założeniami, dane rejestrowane były natychmiast po włączeniu eksperymentu. W trakcie fazy wznoszenia zauważone zostały błędy w zapisie danych z jednego systemu SDR – szybki restart systemu umożliwił dalszą pracę eksperymentu z minimalną utratą danych naukowych. Podczas lotu temperatura stabilizowała się w okolicy wartości potwierdzonych zarówno przez symulacje termiczną, jak i testy w TVAC-u (komorze termiczno-próżniowej). Profil temperaturowy podczas trwania misji jest ukazany na rysunku poniżej.
Po ukończeniu lotu dane zostały poddane wstępnej analizie. Głównym kryterium rozpoznania naturalnych emisji jest ich nieokresowość lub występowanie naprzemienne częstotliwościowo w ściśle określony sposób. Porównując spektrogram otrzymany z pozyskanych danych z widmami porównawczymi z radia sieciowego z Enschede w Niderlandach, widoczne są quasi-nieregularne sygnały niezarejestrowane przez TOTORO. Na rysunku poniżej widoczne jest porównanie obu przykładowych widm.
Widmo porównawcze (góra; University Twente SDR) i widmo zarejestrowane (dół, fragment wstępnego spektrogramu z anteny magnetycznej z fazy lotu na stałej wysokości). Widoczne nieregularne sygnały w okolicach 8kHz (prawdopodobne związane ze zmianami częstotliwości giromagnetycznej w plazmasferze Ziemi) i sygnały systemów komunikacji podwodnej (m. in. Norwegia, Rosja, Wielka Brytania, Francja).
Analiza wykazuje, że system inkorporujący antenę magnetyczną był w stanie zarejestrować znacznie więcej emisji. Dalszym krokiem prac jest przeanalizowanie widm z całej fazy lotu w okolicach 600-800 kHz. Zarejestrowane słabe sygnały w danym zakresie częstotliwości tworzą charakterystyczne kształty, zbliżone do kształtów wykazywanych przez fale plazmowe. Otrzymane spektrogramy zostaną porównane z danymi udostępnionymi przez m.in. Obserwatorium Magnetyczne w Coimbrze oraz z innych misji kosmicznych (Interball-AURORA, ISEE-1 i –2), w celu potwierdzenia poprawności identyfikacji uzyskanych sygnałów, określenia ich źródeł oraz czynników wpływających na ich zmiany – czynników związanych ze zjawiskami występującymi w jonosferze i plazmasferze Ziemi.
Eksperyment został opracowany przez studentów w składzie Aliaksandra Shmyk, Karol Bresler, Maurycy Ciarka, Ryszard Zawiła, Rafał Mystkowski, Katarzyna Wiater, Jacek Martyniak, Tomasz Aleksander Miś.
(TOTORO, SKA, PW)
