Eksperymenty

Przed PW-Satem, tak jak przed każdym satelitą, stoją określone zadania – cele, którym satelita ma służyć. Skonstruowanie satelity przez studentów jest istotnym wyzwaniem już samo w sobie. Zakończone sukcesem w oczywisty sposób dowodzi wysokich kwalifikacji studentów i jest przepustką do wymarzonej pracy w branży aerokosmicznej. Cel edukacyjny to istotna część projektu CubeSat.

Nie mniej ważne, jeśli nie ważniejsze, jest to, po co satelitę wysyła się na orbitę. Ze względu na swe niewielkie rozmiary pikosatelity doskonale nadają się do testowania innowacyjnych i ważnych technologii. Sprzymierzeńcem jest tu miniaturyzacja, umożliwiająca ambitne badania przy relatywnie prostej i względnie niedrogiej konstrukcji satelity. W ramach swej misji PW-Sat będzie realizował dwa eksperymenty, testując: technikę deorbitacji i elastyczne fotoogniwa.

Deorbitacja

Deorbitacja to inaczej zejście satelity z orbity, w następstwie którego deorbitowany obiekt wchodzi w atmosferę i jest tam niszczony. Z perspektywy obserwatora na powierzchni Ziemi, można wtedy na niebie zaobserwować bardzo jasny meteor.

Sonda Hayabusa niszczona w atmosferze. Swoje życie w podobny sposób kończą niektóre okołoziemskich satelitów.

Z chwilą, gdy satelita ulega zniszczeniu, okołoziemska orbita staje się nieco bezpieczniejsza. Okazuje się bowiem, że wiele satelitów po zakończeniu swych misji potrafi wciąż okrążać Ziemię nawet przez dziesiątki lat. Nieaktywne obiekty, nad którymi nikt nie ma już kontroli, stają się kosmicznymi śmieciami. Zaczynają stwarzać zagrożenie dla nowych satelitów, nieustannie wysyłanych w kosmos (w tym dla pojazdów załogowych i stacji orbitalnych). O tym, że zagrożenie jest realne mogliśmy się przekonać np. 10 lutego 2009, gdy doszło do zderzenia funkcjonującego satelity Iridium 33 z nieaktywnym rosyjskim satelitą wojskowym Kosmos 2251. W wyniku zderzenia obydwa obiekty uległy całkowitemu zniszczeniu, a co gorsza, powstały przy tym chmury małych fragmentów, zagrażających innym satelitom.

Komputerowa symulacja zderzenia satelitów Iridium 33 i Kosmos 2251. Na czerwono zaznaczone są chmury kosmicznych śmieci, powstałych w wyniku zderzenia.

Gdyby Kosmos 2251 został wyposażony w system deorbitacji, możnaby go usunąć z orbity, gdy satelita zakończył operacyjną służbę. Gdyby… Rosnąca ilość kosmicznych śmieci i rosnące ryzyko kolizji zmuszają do opracowania i wdrożenia technik przyśpieszających deorbitację, tak, by zużyty satelita jak najszybciej był „utylizowany”.

W przypadku satelitów na niskich orbitach, czynnikiem przyspieszającym deorbitację może być atmosfera i jej szczątkowy opór. Tak jak w spadochronie otwarcie jego czasy zwiększa opór aerodynamiczny, tak zwiększenie powierzchni satelity na niskiej orbicie powoduje powolne, ale zauważalne „wyhamowywanie”. Konsekwencją jest obniżenie orbity, dalszy wzrost oporu i coraz szybsze obniżanie. Aż do (nie)szczęśliwego zakończenia.

Głównym ładunkiem PW-Sata będzie system powodujący zwiększenie oporu aerodynamicznego satelity. Choć może brzmieć to nieco dziwnie, PW-Sat jest wysyłany w kosmos po to, by jak najszybciej został z niego zepchnięty w atmosferę i zniszczony. System deorbitacji PW-Sata składa się ze struktury nazywanej ogonem. Ma ona kształt sprężyny o przekroju kwadratu i długości około metra. Boki ogona obłożone są elastycznymi fotoogniwami, przytwierdzonymi do sprężyny. Na czas startu cała struktura jest złożona – wciśnięta w specjalnie przygotowaną przestrzeń wewnątrz satelity. Kilka tygodni po starcie, na komendę z Ziemi ogon zostanie rozłożony – przepalona zostanie nić blokująca mechanizm sprężyny i ogon „wystrzeli” w ułamku sekundy. Z rozłożonymi antenami oraz ogonem satelita będzie miał wymiary około 150x100x13 cm.

PW-Sat bez systemu deorbitacji (jako kostka 10x10x13 cm) pozostawałby na swej eliptycznej (300×1450 km) orbicie przez niemal cztery lata. Spodziewane zwiększenie oporu przez rozłożenie ogona skróci czas życia satelity do roku. Analogiczne systemy mogłyby być montowane w nowopowstających satelitach i włączane w chwili, gdy misja dobiega końca. To pozwoliłoby na oczyszczanie orbit z niepożądanych kosmicznych śmieci.

Fotoogniwa

Podstawowym sposobem zapewnienia elektryczności dla przeważającej większości satelitów i sond kosmicznych jest Słońce. Promieniowanie słoneczne zamieniane jest na prąd w fotoogniwach (panelach słonecznych), w jakie wyposażane są satelity. Im więcej prądu jest dostępne dla podsystemów, tym większe możliwości satelity. Rodzi to konieczność budowy fotoogniw wydajniejszych i o większej powierzchni. Jednak wzrost rozmiarów to chociażby problem z pomieszczeniem ładunku w rakiecie nośnej. Napotkali go przed laty konstruktorzy Kosmicznego Teleskopu Hubble’a, starający się pomieścić obserwatorium i jego fotoogniwa w ładowni wahadłowca. Udało się, gdyż postanowiono panele słoneczne zrolować – na elastycznym materiale naklejano sztywne płytki fotoogniw, w takiej odległości od siebie, by całość dało się zwinąć i w kompaktowej postaci wynieść na orbitę.

» PW-Sat po testach wibracyjnych, termicznych, próżniowych, funkcjonalnych... Cały i zdrowy! (Fot. A. Kotarba)

PW-Sat po testach wibracyjnych, termicznych, próżniowych, funkcjonalnych… Cały i zdrowy! (Fot. A. Kotarba)

A gdyby pójść o krok dalej i zamiast elastycznego podkładu ze sztywnymi fotoogniwami, same fotoogniwa były elastyczne? Właśnie takie fotoogniwa zostaną przetestowane w warunkach kosmicznych w czasie misji PW-Sat. Zostały przymocowane do czterech boków ogona i rozpoczną prace kilka tygodni po starcie satelity. Sprawność fotoogniw wynosi około 5%, co oznacza, że jedynie 5% energii słonecznej padającej na fotoogniwa zostanie zamieniona na prąd. To bardzo niewiele, w porównaniu chociażby z głównymi fotoogniwami PW-Sata – te mają sprawność około 25% (najlepsze istniejące fotoogniwa projektowane d misji kosmicznej sprawnością sięgają 45-50%). W przypadku PW-Sata chodzi nie tyle o ilość uzyskanej energii elektrycznej (prąd z eksperymentalnych paneli nie będzie w ogóle wykorzystywany do zasilania satelity), co przetestowanie samej koncepcji elastycznych fotoogniw.

Innowacyjne fotoogniwa testowane przez PW-Sata znajdą zastosowanie zarówno w technice kosmicznej, jak i naszym życiu codzienny. Tu warto przypomnieć, że panele słoneczne, które być może są i na naszym dachu, to przykład jak technologia kosmiczna trafia nie tyle pod strzechy, co na strzechy. Nie byłoby bowiem współczesnych ogniw fotowoltaicznych bez eksploracji kosmicznej, która dostrzegła w nich ogromny potencjał i przyczyniła się do ogromnego rozwoju technologii.

Comments are closed