Η NASA εκτοξεύει τον μικρότερο δορυφόρο στον κόσμο - Προετοιμαστείτε για πλήθος νανοδορυφόρων στο διάστημα

Η ιστορία γράφτηκε όταν η NASA (Εθνική Υπηρεσία Αεροναυτικής και Διαστήματος) εκτόξευσε τον KalamSAT, τον μικρότερο δορυφόρο του κόσμου, στις 22 Ιουνίου 2017. Το KalamSAT, του οποίου το όνομα προέρχεται από τον πρώην πρόεδρο της Ινδίας και πυρηνικό επιστήμονα, Dr. A. P. J. Abdul Kalam, ζυγίζει μόλις 64 σολ. Ο δορυφόρος σχεδιάστηκε από τον Rifath Sharook, έναν 18χρονο Ινδό φοιτητή από την πόλη Pallapatti, στην ινδική πολιτεία Ταμίλ Ναντού, και τους άλλους έξι συμπαίκτες της ομάδας του. Αλλά καθώς οι δορυφόροι γίνονται όλο και μικρότεροι, μας αφήνει να αναρωτιόμαστε "Πόσοι δορυφόροι βρίσκονται σε τροχιά;" Επίσης, πόσοι θα βρίσκονται σε τροχιά μετά την εκτόξευση χιλιάδων νανοδορυφόρων;

Η NASA πέταξε τον δορυφόρο με τον Terrier-Improved Orion Rocket, που εκτοξεύτηκε από την τοποθεσία της πτητικής εγκατάστασης στο νησί Wallops, Βιρτζίνια, ΗΠΑ, στις 3 μ.μ. (IST) στις 22 Ιουνίου. Ο πύραυλος είχε συνολικό χρόνο πτήσης 240 λεπτά. Αφού αποχωρίστηκε από τον πύραυλο, ο δορυφόρος πέρασε 125 λεπτά στο διάστημα μετά την απογείωση, μέσα στο περιβάλλον μικροβαρύτητας, και στη συνέχεια έπεσε στη θάλασσα. Τα δεδομένα που συλλέγονται θα διερευνηθούν από την ινδική ομάδα.

Η ομάδα και οι προδιαγραφές του KalamSAT

Η ομάδα πίσω από το KalamSAT αποτελείται από επτά μέλη της ομάδας. Ο Rifath Sharook ως επικεφαλής επιστήμονας, Tanishq Dwivedi ως μηχανικός πτήσης, Vinay S Bhardwaj ως μηχανικός σχεδιασμού, Yagna Sai ως επικεφαλής τεχνικός, Mohammed Abdul Kashif ως επικεφαλής μηχανικός, Gobinath ως βιολόγος και Dr. Srimathy Kesan ως επιβλέπων. Το KalamSAT συγκεντρώθηκε στο Chennai, T Nagar, το σπίτι του Dr. Kesan. Ο Δρ Kesan είναι επίσης ο ιδρυτής και Διευθύνων Σύμβουλος του Space Kidz India, ενός ιδρύματος που δημιουργήθηκε για να προσελκύσει φοιτητές στην Ινδία στα μαθήματα των Τεχνών, της Επιστήμης και του Πολιτισμού. Δεν είναι η πρώτη φορά που ο Sharook, ο επικεφαλής επιστήμονας του έργου, εμφανίζεται στις ειδήσεις. Όταν ήταν 15 ετών, εφηύρε ένα μετεωρολογικό μπαλόνι ηλίου που ζύγιζε 1,13 κιλά για ένα έργο στο Space Kidz India.

Οι προδιαγραφές του KalamSAT περιλαμβάνουν το βάρος του 64 g και το μέγεθος 3,8 cm, που του επιτρέπουν να χωράει στην παλάμη του χεριού του. Κατασκευάστηκε χρησιμοποιώντας τη μέθοδο τρισδιάστατης εκτύπωσης με ενισχυμένο πολυμερές από ανθρακονήματα, ένα εξαιρετικά ανθεκτικό αλλά ελαφρύ πλαστικό ενισχυμένο με ίνες που περιέχει πλαστικές ίνες. Ένας νανομετρητής Geiger Muller τοποθετήθηκε στον δορυφόρο, ένα όργανο που χρησιμοποιείται για τη μέτρηση της ακτινοβολίας κατά τη διάρκεια της αποστολής στο διάστημα. Περιλαμβάνονταν επίσης αρκετοί άλλοι αισθητήρες για τη μέτρηση της περιστροφής, της θερμοκρασίας, της υγρασίας, της πίεσης, της επιτάχυνσης και της μαγνητόσφαιρας της γης. Ο KalamSAT είναι ένας femto δορυφόρος. Πρόκειται για μικρούς δορυφόρους με βάρος μικρότερο και 0,1 kg, συμπεριλαμβανομένων των καυσίμων και του ωφέλιμου φορτίου. Τεχνικά, αναπτύχθηκε ως δορυφόρος επίδειξης τεχνολογίας καθώς δεν έφτασε σε τροχιά αλλά πέταξε μια υποτροχιακή τροχιά. Αυτό συμβαίνει επειδή, παρόλο που ο δορυφόρος έφτασε στο διάστημα, έπεσε πίσω στη Γη πριν ολοκληρώσει την πλήρη τροχιά του.

Παγκόσμια ρεκόρ και διαγωνισμοί

Ο KalamSAT εμφανίστηκε στο Asia Book of Records, στο Assist World Records και στο India Book of Records ως «ο ελαφρύτερος και μικρότερος δορυφόρος του κόσμου». Όχι μόνο ο KalamSAT είναι ο μικρότερος δορυφόρος στον κόσμο, αλλά είναι επίσης η πρώτη φορά που η τρισδιάστατη εκτύπωση χρησιμοποιείται στο διάστημα. Ο κύριος ρόλος του δορυφόρου ήταν να δείξει την ικανότητα των τρισδιάστατων εκτυπωμένων ινών άνθρακα να εκτελούνται σε τέτοιες αποστολές. Επιπλέον, αυτή είναι η πρώτη φορά που πραγματοποιείται πείραμα από Ινδό φοιτητή από τη NASA.

Το KalamSAT επιλέχθηκε για την αποστολή αφού κέρδισε τον διαγωνισμό Cubes in Space που βασίζεται στο STEM (Science, Technology, Engineering, Arts, and Mathematics), που διοργανώθηκε από τη NASA και τον I Doodle Learning, έναν οργανισμό που εστιάζει στην παγκόσμια εκπαίδευση. Ο στόχος του διαγωνισμού ήταν να σχεδιαστεί ένα όργανο που θα μπορούσε να χωρέσει σε έναν κύβο μεγέθους 4 m, για να πετάξει στο διάστημα. Το Cubes in Space εκτελείται για να δώσει σε μαθητές ηλικίας 11-18 ετών την ευκαιρία να σχεδιάσουν ένα πείραμα που θα εκτοξευτεί από τη NASA στο διάστημα είτε με πύραυλο είτε με μπαλόνι. Από την έναρξή του το 2014, το πρόγραμμα είχε 5000+ συμμετέχοντες από σχεδόν 40 χώρες.

Πριν ο Sharook και η ομάδα του συμμετάσχουν στον διαγωνισμό, σχεδίασαν ένα CubeSat βάρους 1 kg. Ο CubeSat είναι ένας μικρός δορυφόρος που αποτελείται από κύβους 10 x 10 x 10 cm, με κάθε κύβο να μην ζυγίζει περισσότερο από 1,33 kg. Ωστόσο, η κατασκευή του αποδείχθηκε πολύ ακριβή για τον προϋπολογισμό τους και αποφάσισαν να κατασκευάσουν μια μικρότερη έκδοση για τον ανταγωνισμό. Αφού η ομάδα σχεδίασε και κατασκεύασε το KalamSat, άρχισαν να ερευνούν τον τρόπο εκτόξευσης του δορυφόρου και ανακάλυψαν τη μέθοδο των BalloonSats, έναν τρόπο μεταφοράς ελαφρών ωφέλιμων φορτίων στο κοντινό διάστημα. Χρησιμοποιώντας αυτό, ανέπτυξαν ένα όχημα εκτόξευσης κοντά στο διάστημα (NSLV) για την εκτόξευση του δορυφόρου τους. Αυτό το NSLV αναπτύχθηκε περαιτέρω σε Kalam 2 και έχει κερδίσει μια θέση στην πρόκληση Edge of Space Balloon Flight της NASA. Ο δορυφόρος με μπαλόνι αποτελείται από ένα ωφέλιμο φορτίο ενός νανορομπότ, δείγματα αίματος, φυτά, έναν αισθητήρα μέτρησης και έναν διαστημικό εκτυπωτή. Ο Δρ Kesan ειπώθηκε ότι περιέγραψε τον στόχο αυτής της δεύτερης αποστολής ως ενθάρρυνσης του διαστημικού τουρισμού στην Ινδία. Τα δείγματα αίματος θα χρησιμοποιηθούν για να διερευνηθεί πώς αντιδρά το αίμα στο διάστημα. Το αερόστατο σχεδιάζεται να εκτοξευθεί αργότερα φέτος, στην Κολούμπια του Νέου Μεξικού.

Μινιατούρες δορυφόροι

Ο KalamSAT είναι ένα παράδειγμα της επόμενης γενιάς μικροσκοπικών δορυφόρων που αναπτύσσονται παγκοσμίως. Ο Sputnik-1, ο πρώτος τεχνητός δορυφόρος της Γης, είχε διάμετρο μόλις 58 cm. Από τότε, οι δορυφόροι έχουν εκραγεί σε μέγεθος, για παράδειγμα, ο GOES (Geostationary Operational Environmental Satellite)-16 ζυγίζει 2.800 κιλά και ο GOES-15 ζυγίζει 1.540 κιλά. Τέτοιοι μεγάλοι δορυφόροι όχι μόνο περιφέρονται γύρω από τη Γη αλλά και άλλους πλανήτες του ηλιακού συστήματος. Ωστόσο, τις τελευταίες δεκαετίες, έχουν αναπτυχθεί «μικροί» δορυφόροι, με στόχο τη μείωση του κόστους που σχετίζεται με την κατασκευή και την εκτόξευση τους. Αυτοί οι δορυφόροι μπορούν να κατηγοριοποιηθούν ανάλογα με τη μάζα τους.

Οι δορυφόροι Femto είναι εκείνοι που ζυγίζουν λιγότερο από 0,1 κιλά. Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, το KalamSAT εμπίπτει σε αυτήν την κατηγορία. Η ιδέα των δορυφόρων Femto χρονολογείται από τη δεκαετία του 1990, όταν οι επιστήμονες είχαν την ιδέα μικροσκοπικών αισθητήρων που μετρούν τη θερμοκρασία, την ακτινοβολία, τις κινήσεις, τη θέση και έχουν την ικανότητα να ανιχνεύουν βιολογικές και χημικές ουσίες. Το 2011, ξεκίνησε το πρώτο έργο femto sat, γνωστό ως KickSAT, που αναπτύχθηκε από επιστήμονες από το Πανεπιστήμιο του Cornell.

Ο επικεφαλής μηχανικός του έργου εκείνη την εποχή, Mason Peck, περιέγραψε τους μικροσκοπικούς δορυφόρους ως ικανούς να «ταξιδεύουν στο διάστημα σαν σκόνη» και να «πλέουν» σε τοποθεσίες χωρίς να χρησιμοποιούν καύσιμα, καθώς μεταφέρονται από ηλιακούς ανέμους. Η εκτόξευση της αποστολής πραγματοποιήθηκε στις 18 Απριλίου 2014. Το KickSat ξεκίνησε με την ιδέα να καταστήσει την εξερεύνηση του διαστήματος πιο προσιτή λόγω χαμηλότερου κόστους, με τη δυνατότητα ταυτόχρονης εκτόξευσης πολλαπλών διαστημικών σκαφών λόγω του μικρού μεγέθους και της μάζας τους. Το KickSat Sprite είναι ένα διαστημικό σκάφος μονής σανίδας 3,5 x 3,5 cm που περιέχει ραδιόφωνο, μικροελεγκτή και ηλιακές κυψέλες. Αυτοί οι δορυφόροι έχουν την ικανότητα να κρατούν αισθητήρες όπως γυροσκόπια και θερμόμετρα. Ωστόσο, τα KickSat Sprites δεν αναπτύχθηκαν ποτέ από το KickSat λόγω επαναφοράς του ρολογιού και τελικά κάηκαν μέσα. Το KickSat 1 μπόρεσε να περιφερθεί γύρω από τη Γη ως CubeSat, με βάρος 5,5 κιλά.

Αυτοί οι τύποι δορυφόρων χρησιμοποιούνται κυρίως για τη συλλογή πληροφοριών σχετικά με την ακτινοβολία, τη χημεία και τα σωματίδια. Τέτοιοι μικροί δορυφόροι δεν θα μπορούν να αντιγράψουν τις δυνατότητες συλλογής δεδομένων μεγάλων δορυφόρων. Ωστόσο, μπορούν να χρησιμοποιηθούν μαζικά για διαφορετικούς στόχους.

Το μέγεθος του δορυφόρου έχει σημασία

Το μέγεθος τέτοιων δορυφόρων τους καθιστά πολύ φθηνότερους στην κατασκευή και την εκτόξευση. Αυτό επέτρεψε την πρόσβαση σε αυτά τα έργα σε πανεπιστήμια, τα οποία συνήθως έχουν μικρό προϋπολογισμό. Η ομάδα Space and Terrestrial Robotic Exploration (SpaceTREx), στο Πολιτειακό Πανεπιστήμιο της Αριζόνα, δημιούργησε τον δικό της δορυφόρο femto, γνωστό ως SunCube, με μέγεθος 3 cm και βάρος 35 g. Υπολόγισαν ότι θα κόστιζε περίπου 3000 $ για να εκτοξεύσει τον δορυφόρο σε τροχιά χαμηλής γης. Η προσέγγιση στο διάστημα θα ήταν πιο δαπανηρή, περίπου 27.000 $, ωστόσο, αυτό εξακολουθεί να είναι πολύ φθηνότερο από το τυπικό κόστος εκτόξευσης ενός δορυφόρου στο διάστημα, περίπου 70.000 $ ανά κιλό. Η ομάδα εξηγεί ότι η εξέλιξη της τεχνολογίας των μικρών δορυφόρων την καθιστά πιο προσιτή την προσωπική είσοδο στη διαστημική επιστήμη. Τέτοιοι δορυφόροι δεν έχουν τη δυνατότητα να φτάσουν στους πλανήτες του ηλιακού συστήματος, ωστόσο με κόστος πολλών εκατοντάδων δολαρίων είναι αποτελεσματικοί στην παρατήρηση της Γης, άλλων μεγαλύτερων δορυφόρων και στη συλλογή δεδομένων για μαθητές. Μπορούν να μεταφέρουν μικρούς αισθητήρες, κάμερες, ραδιόφωνα και ένα ηλιακό πάνελ για παροχή ρεύματος.

Μεγαλύτεροι από τους femto δορυφόρους είναι οι picosatellites, με βάρος μεταξύ 0,1 και 10 kg. Οι Picosatellites συνήθως λειτουργούν σε ομάδες ή «σμήνη». Μερικοί έχουν σχεδιαστεί για να λειτουργούν με έναν «μητρικό» δορυφόρο προκειμένου να επικοινωνούν με ελεγκτές εδάφους. Τα CubeSats είναι παραδείγματα πικοδορυφόρων (και νανοδορυφόρων, που περιγράφονται παρακάτω). Είναι κυρίως δορυφόροι χαμηλής τροχιάς, εντός της περιοχής 300-1300 km πάνω από τη Γη. Ωστόσο, έχουν τη δυνατότητα να εκτοξευθούν περαιτέρω στο διάστημα. Για το μέλλον, η NASA στοχεύει να εκτοξεύσει το CubeSats όχι μόνο στο φεγγάρι αλλά και στον Άρη.

Το CubeSat δημιουργήθηκε για πρώτη φορά τη δεκαετία του 2000 από μεταπτυχιακούς φοιτητές από το Πολιτειακό Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια και το Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ, σε ένα έργο που στοχεύει στην ενθάρρυνση της επιστήμης και της εξερεύνησης του διαστήματος. Αυτά τα CubeSat εκτοξεύτηκαν τον Ιούνιο του 2003 με ένα όχημα εκτόξευσης πυραύλων. Αυτό ακολούθησε, για παράδειγμα, η NASA, το Εθνικό Γραφείο Αναγνώρισης και η Boeing που δημιούργησαν και χρησιμοποιούν τα δικά τους CubeSat. Αυτή τη στιγμή υπάρχουν περίπου 130 CubeSat που λειτουργούν και βρίσκονται σε τροχιά. Άλλα CubeSat περιλαμβάνουν το SwissCube-1, το οποίο χρησιμοποιείται για την παρακολούθηση της νυχτερινής λάμψης από την ατμόσφαιρα της Γης.

Οι νανοδορυφόροι είναι δορυφόροι που ζυγίζουν λιγότερο από 10 κιλά. Η αποστολή Bright Target Explorer (BRITE) χρησιμοποιεί αρκετούς νανοδορυφόρους, σχεδιασμένους από το Εργαστήριο Διαστημικών Πτήσεων στο Ινστιτούτο Αεροδιαστημικών Μελετών του Πανεπιστημίου του Τορόντο. Τα τηλεσκόπια ζυγίζουν 7 κιλά και είναι περίπου 20 εκατοστά σε κάθε πλευρά. Τα τηλεσκόπια που εκτοξεύτηκαν σε αυτή την αποστολή επικεντρώνονται στην παρακολούθηση φωτεινών αστέρων για διαφορετικά μήκη κύματος φωτός. Μέρος της ομάδας χαμηλού κόστους δορυφόρων που περιλαμβάνει τους δορυφόρους CubeSats και femto που περιγράφονται παραπάνω, οι νανοδορυφόροι μπορεί να χρειαστούν από μερικούς μήνες έως αρκετά χρόνια για να αναπτυχθούν και να δοκιμαστούν.

Αυτή είναι μια αντίθεση με το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble, το οποίο χρειάστηκε 12 χρόνια για να κατασκευαστεί. Το STRAND-1 είναι μια σειρά από 3 CubeSats που ενώνονται μεταξύ τους, δημιουργώντας έναν νανοδορυφόρο. Είναι ο πρώτος δορυφόρος που εκτοξεύεται στο διάστημα που τροφοδοτείται από smartphone, που αναπτύχθηκε στο Surrey Space Center στο Πανεπιστήμιο του Surrey, που εκτοξεύτηκε το 2013.  Ένα smartphone Google Nexus One, με λειτουργικό σύστημα Android, χρησιμοποιείται για τη λειτουργία του συστήματος. Το smartphone περιλαμβάνει σχεδόν όλη την τεχνολογία που είναι απαραίτητη για τον δορυφόρο, όπως η κάμερα, οι ραδιοφωνικές συνδέσεις και οι CPU υψηλής απόδοσης. Πρόσθετα χαρακτηριστικά που δεν βρίσκονται στο smartphone είναι τα ηλιακά πάνελ και η προπέλα. Ο δορυφόρος χρησιμοποιείται, για παράδειγμα, για την παρακολούθηση του μαγνητικού πεδίου της Γης και για την καταγραφή φωτογραφιών. Οι νανοδορυφόροι ακολουθούνται από μικροδορυφόρους (μεταξύ 10-100 kg) και μίνι-δορυφόρους (100-500 kg).

Η ταχεία ανάπτυξη της δορυφορικής τεχνολογίας και οι μειώσεις του κόστους προσφέρουν σε νέους φοιτητές όπως ο Sharook την ευκαιρία να εξερευνήσουν την επιστήμη του διαστήματος με τρόπους που διαφορετικά δεν θα ήταν διαθέσιμοι. Τέτοιες προοπτικές για την εκπαίδευση των μαθητών είναι εξαιρετικά σημαντικές για το μέλλον των επιστημόνων και των μηχανικών του διαστήματος και την ανακάλυψη του διαστήματος. Υπάρχουν πολλοί διαγωνισμοί και έργα που στοχεύουν να ενθαρρύνουν τους μαθητές να λάβουν μέρος στη διαστημική επιστήμη, όπως ακριβώς το Cubes in Space. Για παράδειγμα, το Educational Launch of Nanosatellites (ElaNa) είναι μια πρωτοβουλία της NASA που δημιουργήθηκε για να προσελκύσει μαθητές από φυσικές επιστήμες, μηχανική, τεχνολογία και μαθηματικά. Η NASA εκτελεί επίσης το CubeSat Launch Initiative.

Αυτό παρέχει ευκαιρίες σε πανεπιστήμια, σχολεία και ΜΚΟ να δημιουργήσουν μικρά ωφέλιμα φορτία δορυφόρων που μπορούν να πετάξουν σε μελλοντικές εκτοξεύσεις. Ωστόσο, υπάρχουν επίσης ορισμένες ανησυχίες που σχετίζονται με αυτή την πρόοδο στους δορυφόρους. Για παράδειγμα, καθώς οι δορυφόροι γίνονται πιο προσιτοί στο κοινό, παρατηρείται αύξηση των διαστημικών απορριμμάτων ή των διαστημικών «σκουπιδιών» που περιφέρονται γύρω από τη Γη. Αυτό ανοίγει τον κίνδυνο σύγκρουσης με άλλο εξοπλισμό που βρίσκεται επίσης σε τροχιά. Αυτή τη στιγμή, η ποσότητα των μικρών δορυφόρων σε τροχιά δεν προκαλεί ανησυχία, ωστόσο, αυτό θα μπορούσε να αλλάξει στο μέλλον, με την αναμενόμενη αύξηση των ερασιτεχνικών δορυφόρων. Τέτοιοι κίνδυνοι μπορεί να οδηγήσουν σε αυστηρούς κανονισμούς, για παράδειγμα που σχετίζονται με τις επικοινωνίες Γης-Διαστήματος. Όπως συμβαίνει με όλες τις ραγδαίες τεχνολογικές προόδους, θα πρέπει να βρεθεί μια ισορροπία μεταξύ των οφελών και των ανησυχιών που σχετίζονται με τις συνέπειες τέτοιων προόδων, και η εστίαση στην παροχή ευκαιριών στους νέους θα πρέπει να παραμείνει.