Zvětšit obrázek

Na vás už zbude jenom maličkost, vymyslet pracovní náplň, vyrobit pro ni odpovídající zařízení a výsledek této snahy po domluvě doručit provozovateli kosmických nosičů, který vám jej za patřičnou úplatu dopraví na oběžnou dráhu. A cesta k asteroidu může začít. Že na Osel.cz se žánru sci-fi dosud nikdo nevěnoval? Zatím ani nebude, řeč je třídě miniaturních satelitů zvaných cubesat někdy také pikosat nebo nanosat.

Zvětšit obrázek

Velikosti cubesatů

Snahy o zefektivnění kosmického výzkumu jej provázejí bezmála už samotných začátků, je to pochopitelné, máloco náročnějšího a tudíž dražšího lidská rasa podniká. Dnešní úroveň miniaturizace a automatizace těmto stále silnějším trendům nahrává, ale cubesaty jsou jako ta pověstná třešnička na dortu. Do kosmu se většinou vydávají jako dodatečné zatížení na palubě velkých nosičů. Nosnost kosmických raket totiž nelze škálovat tak snadno jak by bylo ideální s ohledem na hmotnosti vynášeného nákladu. Takže pokud má raketa nosnost např 2.5 tuny a satelit váží 2,4 tuny pak je možno při jednom startu vynést ještě nějaký menší náklad, trocha prostoru se při pestrých tvarech družic pod unifikovaným aerodynamickým krytem také vždycky najde. Alternativně bývají cubesaty vypouštěny také z paluby ISS nebo pilotovaných kosmických lodí. Často bývají využívány pro univerzitní projekty nebo pro mise, které jsou průkopnické z technologického hlediska, jeden z nejznáměších je sluneční plachetnice Nanosail-D.
Konstrukčně jsou cubestay krychličky 10 x 10 x 10 cm tvořící základní segment nosné konstrukce, při tom je možné 1, 2, 3 nebo dokonce 6-ti segmentové uspořádání. Konkrétní vybavení cubesatu je individuální, ale můžete zvolit také některé z unifikovaných řešení. Obsahem např. takového Cubesatkitu  (jehož existence mě inspirovala k napsání úvodu článku) je mimo samotné konstrukce také zdroj, výpočetní jednotka na bázi RISC MCU, programovací platforma včetně potřebného software na CD a ostatní podpůrné vybavení zajišťující chod satelitu. Pro potřeby Cubesatů bylo vyvinuto i vypouštěcí zařízení, takže autorům projektu už zbývá opravdu jen soustředit se na skutečně vědecké aspekty svého projektu.

Zvětšit obrázek Makrosnímek hrotů iontového emitoru

Zvětšit obrázek Srovnání velikosti pohonných jednotek mikroiotového motoru s mincí.

Zvětšit obrázek Schéma mikrointovéḧo motoru

X
Až dosud při své pouti byla taková družice vydána na milost a nemilost newtnovské mechanice, tak malý přístroj vybavit smysluplným pohonem je pochopitelně velmi problematické. To se ale změnilo díky vynálezu tzv. mikroiontového pohonu, který vznikl na MIT. Jedná se v principu stále o „klasický“ iontový pohon   (zvláštní, že pohon využívaný sondami, jejichž množství lze spočítat na prstech označuji jako klasický) využívající elektrické síly k urychlování proudu iontů vyvíjejících reaktivní sílu, čímž ovšem vzájemná podobnost končí. Samotný mikroiontový motor má velikost 12 x 12 x 2 mm, k čemuž je nutno přičíst ještě nádrž s pracovní látkou o volitelném objemu. V principu jde o destičku s miniaturními dutými hroty přes které kapilárními silami, tedy bez mechanických prvků, vzlíná „palivo“ ven z nádrže umístěné za nimi (tento princip je známý např. z výroby nanomateriálů), zde je pak médium urychlováno nejznámějším způsobem pomocí rozdílu elektrostatického potenciálu mezi mřížkovými elektrodami. Klíčová je použitá pracovní látka známá pod odpudivým názvem 1-ethyl-3 methyl imidazolium tetrafluoroborate, patří mezi iontové kapaliny, moderní iontové kapaliny jsou směsi komplikovaných molekul se základem tzv. iontových kyselin. Tyto i jinak neobyčejně zajímavé roztoky, mají některé specifické vlastnosti, které mikroiontový motor využívá, jednak mají dostatečně velké povrchové napětí, aby umožnilo co nejsnažší vzlínání kapilárními silami, jednak se natolik minimálně odpařují, že mohou být vystaveny i vesmírnému vakuu, aniž by docházelo k významným ztrátám. Další důležitá vlastnost plynoucí už ze sousloví iontové kapaliny je, že ji tvoří promíchané kladné a záporné ionty, což znamená že ačkoli se kapalina navenek jeví jako neutrální, tak pouhou změnou polarity elektrod lze katapultovat chvíli kladné a chvíli záporné ionty, díky tomu odpadají starosti s elektrickou neutralizací náboje hromadícího se na sondě. Použití iontových kapalin je mnohem širší, povídání na toto téma by vydalo na samostatný obsáhlý článek, typické použití je jako elektrolyty nebo rozpouštědla, pro zajímavost lze ještě zmínit poměrně exotický obor umělých svalů, případně projekt rotačního teleskopu na odvrácené straně měsíce. Pro konstrukci tak nebylo nutno vymýšlet nic principiálně nového, stačilo chytře poskládat známé principy, aby vznikl kvalitativně naprosto nový celek. Není vyloučeno, že dojde ke zpětnému ovlivnění všech oborů z nichž vývojáři mikrointových motorů čerpali. Rychlost jakou jsou mikroiontové pohonné jednotky schopny udělit satelitu, je pochopitelně závislá na množství média, pro představu nám poslouží údaj, že méně než 150 g pohonné hmoty by umožnilo  jednosegmentovému (1U) CubeSatu dosáhnout únikové rychlosti z LEO a prozkoumat meziplanetární prostor.

Zvětšit obrázek Křivka jakou vykreslí dráha Cruithne vůči Zemi

Spustit animaci Tvar dráhy Cruithne vůči Zemi

Zvětšit obrázek Orbity země a Cruithne

Je zjevné, že tato vymoženost posouvá využití Cubesatů do podstatně vyšší roviny než doposud, vlastně se dokonce uvažuje o jejich nasazení ve vzdálených oblastech sluneční soustavy. Avšak podívejme se na projekt držící se – tentokrát doslova – více při zemi, i tak je poměrně zajímavý. Stojí za ním inženýr kosmických letů Pierpaolo Pergola z Univerzity v Pise a jeho cílem není nic menšího než průzkum asteroidů. Cílový asteroid o průměru asi 5 kilometrů má označení 3753 Cruithne a patří do skupiny Near-Earth Object, kolem Slunce obíhá téměř v orbitální rezonanci 1:1 se Zemí, přesněji slunce oběhne jednou za 364,01 po eliptické dráze na níž by Zemskou orbitu křižovala pokud by kolem slunce neobíhala se sklonem 19,81° k rovině ekliptiky. Cruithne zdánlivě kopíruje dráhu Země, při čemž se vůči Zemi pohybuje po neobvyklé dráze tvaru fazole, při tomto pohybu se nejvíce přibližuje k Zemi asi na 12 milionů kilometrů, což je zhruba třicetinásobek vzdálenosti Země-Měsíc. Je to právě podobnost obou drah co umožňuje navštívit její povrch s minimálními energetickými nároky. Na Cruithne je z vědeckého pohledu zajímavé přesně to co je zajímavé na všech asteroidech, předpokládá se, že na jejím povrchu nalezneme nepřetvořený materiál z doby kdy naše Sluneční soustava byla mládě vypadající jako protoplanetární disk složený z ledu a kamení nejrůznějších velikostí. Pro zbytek méně zvídavé populace má průzkum těchto těles nezanedbatelný bezpečnostní dopad, případně by mohla být komerčně zajímavá těžba na Zemi vzácných prvků. Jakkoli sama Cruithne závažné nebezpečí pro Zemi nepředstavuje – její dráha je s tou naší pravděpodobně synchronizována na pěkných pár milionů let – tak od ostatních asteroidů, které už zemi ohrozit mohou, se odlišuje právě jen parametry své dráhy. Takže pokud prozkoumáme její povrch dozvíme se tím něco o i všech ostatních asteroidech. Dráhu Cruithne nejlépe osvětlí přiložené animace a hlavně video.

Video kde je z mnoha různých pohledů ukázána dráha Cruithne:

Mise navrhovaná Pergolou by byla postavená nadvou identických platformách konfigurace 2U, tedy ze dvou základních krychlových modulů. Sám Pergola zřejmě zatím nemá přesnou představu o nákladech jeho mise, projekt je spíše ve stadiu myšlenkového experimentu. Z téhož důvodu pochopitelně nejsou známy žádné podrobnosti o vědeckém vybavení, ale lze očekávat, že návrhů se sejde více, uvidíme co nakonec projde výběrem, přecijen se na palubu mnoho přístrojů nevejde. Každopádně je jisté, že i kdyby v Pise myšlenku nezrealizovali, tak se mikrointové motory jistě uplatní někde jinde. Vždyť kdo by nestál o vědecky přínosné mise jejichž ceny by se počítaly ve stovkách, možná dokonce desítkách tisíc dolarů? Nemluvě už o spoustě jiných aplikací, jako spolupráce cubesatů ve formaci, průzkum Měsíce atd. Vzhledem k faktu, že v oboru již roste konkurence – na internetu lze nalézt e-shopy a organizace nabízející nejen podpůrné systémy, ale i speciálně konstruovaný fotoaparát a spektrometr – pak tu můžeme očekávat bouřlivý vývoj.

Nijak se netajím, že jsem velkým příznivcem unifikovaných řešení pro opakující se zadání, stejně jako zlevňování čehokoli – včetně kosmického výzkumu – za využití miniaturizace. Téma cubesatů mě proto nemůže nechat chladným a v budoucnu se k němu určitě vrátím.

Zdroje informací:
http://www.aldebaran.cz/ http://www.aldebaran.cz/bulletin/2013_26_whi.php
http://www.aldebaran.cz/  http://www.aldebaran.cz/bulletin/2013_12_ion.php
http://physicsworld.com/cws/article/news/2013/aug/14/earths-second-moon-target-of-proposed-mission
http://www.911metallurgist.com/
http://www.liveleak.com/view?i=397_1377604421
http://www.cubesatkit.com/
http://web.mit.edu/aeroastro/labs/spl/research_ieps.htm
http://en.wikipedia.org/wiki/3753_Cruithne
http://en.wikipedia.org/wiki/Ionic_liquid
Zdroje obrázků:
http://en.wikipedia.org/wiki/File:Horseshoe_orbit_of_Cruithne_from_the_perspective_of_Earth.gif
http://en.wikipedia.org/wiki/File:Orbits_of_Cruithne_and_Earth.gif
https://lh4.googleusercontent.com/-dfm_dLe179U/TWp0IjyfjdI/AAAAAAAAAA8/eiFqGr-gTB4/s320/Cruithne+orbita+arriba.PNG
http://web.mit.edu/aeroastro/labs/spl/images/research_ieps_concept.jpg
http://web.mit.edu/aeroastro/labs/spl/images/research_ieps_tips.jpg
Psáno pro Kosmonautix a Osel.cz