Nanosatelity w misjach poza niską orbitę wokółziemską

Od ponad dekady obserwujemy rosnące zainteresowanie zminiaturyzowanymi satelitami. Jeden z typów małych satelitów to tzw. CubeSaty, których na orbicie znalazło się już przynajmniej kilkadziesiąt, w tym i jeden z Polski - PW-Sat. W porównaniu z dużymi satelitami są to bardzo tanie i proste konstrukcje - często korzystające z dostępnej na rynku elektroniki typu COTS (Commercial Off-The-Shelf) i spełniające funkcje edukacyjne. Koszt budowy takiego satelity jest także niski - zamiast przynajmniej kilkunastu milionów dolarów, CubeSaty można zbudować i wystrzelić na orbitę za kilkadziesiąt tysięcy dolarów (przy zespole, np. studenckim, nie pobierającym wynagrodzenia za pracę). Te ceny są w zasięgu wielu uniwersytetów oraz małych grup badawczych z całego świata.

Dotychczas jednak CubeSaty - oraz większość podobnych rozmiarów nanosatelitów było wysyłanych jedynie na niską orbitę wokółziemską (LEO), wciąż pod ochronnym płaszczem magnetosfery naszej planety. Póki co, poza LEO wykorzystanie zminiaturyzowanych satelitów jest problematyczne, gdyż elektronika typu COTS jest bardzo wrażliwa na efekty radiacyjne. W konsekwencji może dojść bardzo szybko do utraty satelity.

Pomimo tych przeciwności, w najbliższych latach dojdzie do pierwszych prób wysłania zminiaturyzowanych satelitów poza LEO. Niewątpliwie jednym z najważniejszych czynników przemawiających za misjami wykorzystującymi nanosatelity jest koszt, o jeden lub dwa rzędy wielkości niższy niż w przypadku tradycyjnych wypraw poza LEO. Przykładowo, koszt misji MAVEN, która niebawem wystartuje w kierunku Marsa to około 500 milionów dolarów, a koszt wyprawy większego CubeSata poza LEO oceniany jest na 3-10 milionów dolarów.

Na przyszły rok zaplanowano start pierwszej misji tego typu. Wyprawa nosi nazwę Interplanetary NanoSpacecraft Pathfinder in Relevant Environment (INSPIRE), w ramach której zostaną wystrzelone dwa nanosatelity typu CubeSat 3U. Masa każdego z INSPIRE wyniesie zaledwie 3,8 kg - rzędy wielkości mniej od typowych misji satelitarnych. Każdy z INSPIRE będzie generować zaledwie 20 W, także rząd wielkości mniej od typowych misji sond kosmicznych poza LEO. Jest to spore ograniczenie, które w dużym stopniu wpłynie na ilość i złożoność operacji, które będzie można wykonać w trakcie misji.

Celem misji INSPIRE jest demonstracja zdolności działania satelity typu CubeSat z dala od Ziemi. Na pokładzie każdego z INSPIRE znajdzie się magnetometr oraz kamera. INSPIRE ma się komunikować z Ziemią za pomocą pasm UHF i X.

Oprócz INSPIRE postuluje się przeprowadzenie wielu innych misji zminiaturyzowanych satelitów poza LEO. Jednym z celów jest Księżyc. Na 19 listopada zaplanowany jest start rakiety Minotaur z bazy Wallops w USA. Na pokładzie tej rakiety znajdzie się kilkanaście małych satelitów, w tym i prototyp Lunar Orbiter & Lander CubeSat. Jest to misja realizowana przez kilka jednostek naukowych pod kierownictwem Vermont Technical College z grantu NASA. Ta nadchodząca misja będzie demonstracją kilku technologii (głównie nawigacji) potrzebnych do dotarcia na Księżyc. Demonstracje zostaną przeprowadzone na LEO.

Innym celem dla zminiaturyzowanych satelitów mogą być planetoidy bliskie Ziemi. Jedna z amerykańskich firm proponuje wysyłanie nanosatelitów jako ładunku dodatkowego przy startach rakiet wynoszących satelity na orbitę geostacjonarną. Ta firma proponuje wykorzystanie długiej linki łączącej górny stopień rakiety nośnej z nanosatelitą w celu "wyrzucenia" ładunku na trajektorię ucieczkową. Tak wyrzucony nanosatelita dalej korzystałby ze swojego własnego silnika, wykorzystującego wodór i tlen jako paliwo i utleniacz, powstałe podczas elektrolizy wody. Wstępne wyliczenia sugerują, że taki zminiaturyzowany satelita mógłby posiadać wystarczające "delta V", aby dokonać przelotów obok nawet kilkunastu planetoid bliskich Ziemi. Jak na razie jest to jednak koncepcja misji, która nie została zatwierdzona do dalszego opracowania.

Jest jeszcze możliwe inne wykorzystanie nanosatelitów. Przykładowo, duża misja w kierunku Marsa może zabrać ze sobą kilka CubeSatów i uwolnić je w odpowiednim momencie, np. na wstępnej orbicie wokół Czerwonej Planety. Dzięki temu misja mogłaby uzyskać znacznie większą ilość danych z niektórych instrumentów (np. magnetometrów), co znacznie by podniosło jakość uzyskanych obserwacji naukowych. Ponadto, taki uwolniony nanosatelita można by wysłać w "misję samobójczą" na zderzenie z celem wyprawy, np. kometą czy planetoidą.

W tej chwili wydaje się, że jeszcze przed końcem tej dekady pewna ilość bardzo małych misji satelitarnych poza LEO zostanie przeprowadzona. Jest to o tyle możliwe, że wiele agencji kosmicznych, w tym i amerykańska NASA jak i europejska ESA, rozwija swoje programy rozwojowe dla technologii małych satelitów i jednocześnie boryka się z ograniczonymi funduszami.

Zdjęcie w galerii tego artykułu prezentuje jeden z modeli inżynieryjnych Lunar Orbiter & Lander CubeSat z uniwersytetu w Vermont.