Magyar űrmérnök meséli el, hogyan készülnek a Földet figyelő műholdak és az univerzum titkaira vadászó űrtávcsövek
A műholdak létfontosságú részei modern civilizációnknak. Nélkülük nem tudnánk könnyedén navigálni, sokkal problémásabb lenne a telekommunikáció, pontatlanabb az időjárás-előrejelzés, nehezebben értenénk meg a klímaváltozást és a világegyetemről is sokkal kevesebb ismeretünk lenne. Arról viszont nem sokat esik szó, hogyan születnek meg ezek az eszközök, és milyen mérnöki munkának köszönhető, hogy küldetésüket a legtöbb esetben sikerrel teljesítik.
„Véletlenek sorozata folytán keveredtem bele, nem volt fiatalon ilyen elképzelésem, hogy ezzel szeretnék foglalkozni – mondja Pluhár Gábor, az OHB System AG német űripari vállalat mérnöke, aki műholdak hőmérséklet-szabályzó rendszereinek tervezésével foglalkozik. – Amikor befejeztem a BME gépészmérnöki alapképzését, kiköltöztem Németországba, ott kezdtem el dolgozni. Már a BME-n hallottam arról, hogy Münchenben van űrmérnök [aerospace engineering] szak, ezt megpróbáltam, és fel is vettek. Bár későn jött döntés volt, mindig lenyűgözőnek találtam a világűrt, és nagyon megfogott a képzésnek ezen része. Majd mivel Münchenben elég drága az élet, elkezdtem ismét munkát keresni, így kötöttem ki az OHB-nál, először diákként. Miután elvégeztem az egyetemet, megkértek, hogy maradjak, így összességében 2016 óta vagyok a cégnél.”
Három nagy űripari cég rakja össze az európai műholdak többségét
Pluhár szerint a német OHB System AG „annyira nem ismert Magyarországon, de a három legnagyobb európai űripari cég egyike az Airbus és a Thales mellett, és az űriparon belül gyakorlatilag mindennel foglalkozik, a tudományos műholdaktól a kommunikációs műholdakig. A több telephely közül a Brémában és Münchenben lévők a legnagyobbak, előbbi inkább műholdplatformok, utóbbi úgynevezett instrumentek [műszerek] építésében vesz részt.” A műhold ebből a két fő elemből, a platformból és az instrument részekből áll. Előbbi minden olyan rendszert tartalmaz, ami a műhold működéséhez kell, azaz ide tartozik a napelemtábla, az akkumulátorok, az adatfeldolgozó és kommunikációs rendszerek is. A platform kiszolgálja az instrumentet, ami lehet egy optikai rendszer, egy radarrendszer vagy egy kommunikációs rendszer, amik azért vannak a platformon, hogy a műhold tudja teljesíteni a küldetését. Pluhár szerint az instrument nem csupán egy apró részegység, hanem önmagában is egy komplex rendszer, saját alrendszerekkel, és a műhold platformmal egyenrangú részének tekinthető.
„Európában az európai űrügynökség (ESA) finanszírozza a műholdak nagy részét” – mondja a mérnök. „Ők kiírják a pályázatot, hogy milyen tudományos célra szeretnék a műholdat, majd a nagy cégek megvalósíthatósági tanulmányokat készítenek ezekre. Úgynevezett fővállalkozóként [mission prime] indulnak, ami azt jelenti, hogy a teljes küldetés lebonyolításárért felelnek, de a platform és az instrument részek külön készülnek egymástól, utóbbit általában alvállalkozók szállítják. Ez nem azért van elsősorban, mert egy Airbus nem tudna mindent házon belül megcsinálni, hanem az ESA szigorú, a források elosztására irányuló szabályai [geo return] miatt.”
A szigorú szabályok tehát azt eredményezik, hogy megoszlik a munka az egyes cégek között: „A PLATO űrtávcsőnél az OHB a fővállalkozó, a FORUM műholdnál pedig az Airbus. Mi – például a FORUM esetén – odaadjuk a kész instrumentet a fővállalkozónak, ők összeépítik az egész műholdat, majd még egyszer letesztelik, és utána lövik ki a világűrbe.” A három nagy cég úgynevezett system house-ként működik, azaz képesek definiálni a műhold rendszereit, kidolgozni az alrendszerek specifikációit, megrendelni őket a beszállítóktól, végül az egészet integrálni, illetve tesztelni.
Hőmérséklet-szabályozás nélkül a műhold nem tud működni
A műholdak tervezési folyamatát különböző fázisokra osztják fel:
- A tervezés a nulla fázissal kezdődik, ahol csak nagyon kezdeti dolgokat döntenek el, például a műhold pályáját, vagy hogy mennyi műhold kell a feladat elvégzéséhez.
- Utána jön az A fázis, avagy a megvalósíthatósági tanulmány, hogy egyáltalán kivitelezhető-e a terv. Ennek a végén össze kell szedni a kezdeti terv követelményeit.
- A B fázis ezeknek a követelményeknek a kibontása. Ennek végén már az egész rendszernek fel kell tárni elméletben az összes követelményét, ezeket meg kell határozni, és le is kell bontani alrendszerenként. A B fázis második részének végén egy kezdetleges tervet le kell tenni az asztalra.
- A C fázis a kritikus tervezési felülvizsgálattal (critical design review) fejeződik be, ahol már az összes tervrajzról döntés születik, és szerencsés esetben a tervet itt be is fagyasztják.
- A D és E fázisok már a tesztekről, összeszerelésről és fellövésről szólnak – míg ide elér egy terv, akár 5–6 év is eltelhet a nulla fázistól.
- Van egy F fázis is, ami arról szól, hogyan szabadulnak meg a műholdtól küldetésének végén. Földközeli pálya esetén például lefékezik a műholdat, amelynek így csökken a magassága, de közben a műhold mégis gyorsul. „Fékezed, de közben gyorsul, ezt hívják műholdparadoxonnak” – mondja a mérnök.
„A hőmérséklet-szabályozásnak elsősorban két funkciója van. Egyrészt a különböző alrendszereket abban a hőmérsékleti tartományban kell tartani, ahol megfelelően tudnak működni, vagy túl tudnak élni. Ezt úgy szoktuk elérni, hogy először leszigeteljük a műholdat, utána pedig egy alacsonyabb hőmérsékletről felfűtünk minden kis rendszert arra a hőmérsékleti szintre, amire szükségük van” – mondja Pluhár szakterülete, a hőmérséklet-szabályozó (thermal) rendszerek fontosságáról.
A hőmérséklet-szabályozás kritikus fontosságú a műhold által hordozott műszer teljesítményének garantálása szempontjából is. Ha egy geostacionárius pályán, bolygónktól 35 786 kilométerre keringő földmegfigyelő műhold hőmérséklet-eloszlása nem megfelelő, akkor az a műhold struktúrájának eldeformálásával ahhoz vezet, hogy a műhold nem a kívánt pontot figyeli meg a Földön. „Ha ilyen deformálódás a műhold orientációját irányító csillagkövető kamerák [startracker] és az optikai földmegfigyelő rendszer közt történik, akkor a műhold nem oda fog nézni, ahova a kutatók szeretnék. Ezért egy az egyben ki lehet jelenteni, hogy a thermal nélkül a műhold nem tudna funkcionálni.”
Meglepő, de fekete hőszigetelő fóliát is használnak a műholdak külső borításán
Maga a tervezési folyamat „jó esetben úgy kezdődik, hogy én bemeneti információként már megkapom a követelményeket, amit valaki a csapaton belül kiszámolt – mondja Pluhár. – Így már pontosan tudható, hogy egy egységet a műholdon belül milyen hőmérsékleti tartományban kell tartani. Ilyenkor többek között az is meg van adva, hogy egy struktúrán maximálisan mekkora hőmérséklet-gradiens keletkezhet. A bemeneti információk mellett van egy kezdeti koncepció is, ami azért fontos, mert a műhold geometriájára is szükség van ahhoz, hogy a hősugárzást le tudjuk modellezni.”
A gyakorlatban ez úgy néz ki, hogy ha van egy 21 fokos működésre tervezett elektromos doboz a műholdon, akkor azt azon a hőmérsékleten kell tartani, kivéve ha valami probléma lép fel a műhold működésében. Ekkor a rendszer átáll egy űrszondáknál is használt biztonsági módba (safe mode), ahol a feladat a rendszerek úgynevezett „nem működési hőmérsékleti tartományban” (non operational temperature range) való tartása, hogy ne menjenek tönkre. Pluhár szerint nincs abban nagy varázslat, hogyan oldják ezt meg: „Ha valamit egy adott hőmérsékleten szeretnénk tartani, akkor lehűtjük az alá a hőmérséklet alá, és erről az alacsonyabb szintről kontrolláljuk, például termosztát vagy PI szabályzóval. Előfordul, hogy egy egységben áram folyik, emiatt maga is hőkibocsátó elem, azaz valamit kezdeni kell vele. Ilyenkor ezt rákötjük egy radiátorra, amellyel ki tudjuk vezetni a fölösleges hőt az űrbe. A mindennapi életben a radiátorra úgy gondolunk, mint az a berendezés, amely felfűti a szobát télen. A műholdnál hűtésre használjuk, a fűtés elektronikus úton történik fűtőelemek segítségével.” De mi történik, ha a műhold berendezéseinek elrendezése miatt nem lehet direkt az adott egységre építeni a radiátort? Ilyenkor a szakemberek – az egykor használt réz helyett ma már inkább – pirolitikus grafitból álló hővezetőket (thermal strap) alkalmaznak, vagy hőcsöveket (heatpipe), amelyek a világűr körülményei közt is folyékony halmazállapotban maradó ammóniát alkalmaznak hűtőfolyadékként. Ilyen, ammóniás hőcserélő rendszerek felelnek részben a Nemzetközi Űrállomás hűtéséért is. Az ammónia mérgező gáz, így szivárgás esetén rendkívül veszélyes lehet az űrhajósokra nézve. Emiatt a hőcserélőket az űrállomás külső részein helyezték el.
A mérnök egy műhold optikai rendszerének példáján érzékelteti, hogy a műholdtervezés lépései egymásra is visszahatnak, ami különösen igaz saját területére: „Először az optikai mérnök határozza meg az optikai felületek (lencsék, tükrök) alakját, pozícióját. A tervezőmérnök ezen felületekből csinál háromdimenziós modellt. A folyamat végén a terveket a struktúramérnök ellenőrzi mechanikai szempontból, például, hogy a kiválasztott csavarok kibírják-e a kilövést.”
Ezután jön csak a hőmérséklet szabályzás, amit egy modell készítésével kezdenek. Ezután kiszámolják, hogy mennyi energia kell ahhoz, hogy az adott hőmérsékletet és hőmérséklet-eloszlást tudja tartani a műhold, majd meghatározzák a modell alapján a fűtőelemek ehhez passzoló elosztását. A következő lépésben az általuk végrehajtott számítások az akkumulátorokkal és napelemekkel foglalkozó mérnökökhöz kerül át, akik azokat figyelembe veszik a rendszerek kapacitásának tervezése során. „Ez az egész egy körkörös, egymásra kölcsönösen visszaható folyamat. A hőmérséklet-szabályzás ebből a szempontból egy nagyon speciális terület, mert sok másik diszciplínával határos” – mondja Pluhár, hozzátéve, hogy thermal mérnökként ismernie kell a műhold elektromos rendszereit is azok hőkibocsátása miatt, vagy az optikai rendszer elemeit, mivel nagyon sok tulajdonságuk hőmérsékletfüggő.
A tavaly decemberben sikeresen elindított James Webb űrtávcső Pluhár szerint jól szimbolizálja a hőmérséklet-szabályozás fontosságát. Az űrteleszkóp érzékeny infravörös detektorait és tükreit egy teniszpálya méretű, többrétegű hőszigetelő (MLI, multi-layer insulation) rendszer védi a napsugárzástól, így lehetővé teszi a James Webbnek az univerzum legkorábbi, az ősrobbanás után néhány százmillió évvel kialakult, erős vöröseltolódással rendelkező galaxisainak vizsgálatát. A világűrben uralkodó körülmények között a Földön megszokott három hőtranszport folyamatból kettő működik, a hővezetés és a hősugárzás, és emiatt olyan szigetelő rendszert kell kidolgozni, ami a hősugárzás ellen szigetel. A többrétegű hőszigetelés, ami általában egy kapton nevű műanyag fóliából készül, pontosan ezt tudja. Míg az első réteg felmelegszik a hősugárzástól, annak belső oldala már jóval kevesebb hőt bocsát ki, köszönhetően a reflektív bevonatának (alu VDA). Így mérséklődik rétegről rétegre a következő fóliának átadott hőmennyiség.
A hőszigetelés kívülről a kapton sárgás színe és a belső oldalának hőkibocsátását mérséklő alumínium bevonata miatt sokszor aranyszínűnek tűnik, ami a Szaturnuszt és holdjait 2004–2017 közt vizsgáló Cassini űrszondán látványosan látszott. Pluhár szerint ez azonban nem minden űreszközre igaz, és bármilyen meglepő, „a Nap által ért területeken sokszor fekete kaptont használnak, mert bár a felület a sugárzásnak 85–90 százalékát elnyeli, majdhogynem ugyanannyit ki is sugároz, azaz tudható, hogy mondjuk 120 foknál akkor sem lesz melegebb, ha közvetlen napsugárzás éri.”
A FORUM kideríti majd, mennyi hőt sugároz ki a földi légkör a világűrbe, ami fontos a klímamodellek pontosításához
Az európai űrügynökség 2026-ban induló FORUM műholdjának célja a Föld által visszavert hősugárzás pontos mértékének megállapítása, ami a kutatók várakozásai alapján a jelenlegieknél is pontosabb éghajlati modellekhez vezethet. Az ESA szerint a világűrbe távozó hősugárzás több mint felét a távoli infravörös tartományban lévő sugárzás adja, és a FORUM lesz az első űreszköz, amely ennek a mértékét és földrajzi eloszlását pontosan megméri majd. A légkörben lévő vízgőz, gázok és felhők befolyásolják a távoli infravörös tartományban a bolygónkról távozó hő mennyiségét, amely amiatt, hogy eddig nem monitorozták, hibatényezőt jelent a klímamodellekben. A távoli infravörös tartomány vizsgálata adja a műhold nevét (Far-infrared Outgoing Radiation Understanding and Monitoring) is. A mérnök szerint a FORUM megvalósítására részben azért is kerülhet sor, mert mostanra lett elérhető az ezekhez a távoli infravörös tartományú mérésekhez szükséges technológia.
Egy klasszikus űrprojekt Pluhár szerint úgy néz ki, hogy „megszületik az az igény, hogy valamit szeretnénk csinálni, majd definiálni kell egy célkitűzést, hogy mi az, amit el akarunk érni a küldetés során. Amikor Kennedy elnök 1962-ben a híres beszédét tartotta a holdraszállásról, ő pontosan egy ilyen célt tűzött ki, határidővel együtt, hogy az évtized végére kell megvalósítani egy ember Holdra juttatását és biztonságos visszahozatalát. Ez egy olyan küldetési célkitűzés, amit minden tankönyv idéz példaként”. Ez a FORUM-nál úgy nézett ki, hogy meg volt adva, mely hullámhossz-tartományban, milyen mintavételi gyakorisággal, és lefedettséggel kell a Földet megfigyelni. Ezután jöhetett annak megállapítása, hogy a műholdnak vagy műholdaknak milyen pályán kellene ehhez repülni, illetve egyáltalán hány űreszköz kell a lefedettség biztosításához. A FORUM végül egyetlen műhold lesz, amely a Földtől 800 kilométerre, úgynevezett napszinkron pályán kering majd. Pluhár szerint ennek különlegességét egyrészt az adja, hogy a pólusok felett áthaladó műhold a Föld forgása miatt a bolygó összes régióját meg fogja tudni figyelni. Másrészt a pályája mindig ugyanazt a szöget zárja majd be a Nappal, ami biztosítja a stabil periodikus sugárzási viszonyokat (30 perc árnyékban, 60 perc napsütésben). A pályát a hőmérséklet szabályzás tervezésénél is figyelembe kell venni, hiszen ennek a rendszernek is ugyan úgy szüksége van a műhold akkumulátoraiból és napelemeiből érkező energiára.
Pluhár a FORUM-nál klasszikus (thermal) tervezési tevékenységet végzett, és a legnagyobb kihívást azt jelentette neki, hogy diákként kezdett el rajta dolgozni, „mert nem volt a cégnél szabad thermal mérnök, aki tudott volna ezzel foglalkozni, és így odaadták nekem diákként, hogy akkor majd ezt te csinálod. Persze megkaptam hozzá a segítséget a senior kollégáktól”. A mérnök szerint a FORUM nem az a műhold, aminél rendkívüli újításokat kell bevetni (ellentétben mondjuk a James Webb űrtávcsővel), hanem itt arra kellett koncentrálni, hogy a rendelkezésre álló pénzből el tudjon készülni. Pluhár szerint ennek az a háttere, hogy a FORUM közel 260 millió eurós költsége ipari szinten valójában nem olyan nagy összeg és ezen a küldetésen túl is úgy véli, általánosságban az egész európai űripar relatíve kevés pénzből gazdálkodik. Ahogy az az iparágban lenni szokott, a FORUM-nak is meg kellett küzdenie az ESA-s pályázati forrásért más projektekkel. A kézzelfogható, sürgős tudományos problémákra megoldást nyújtó Fast-track küldetési típusba eső FORUM esetén Pluhár kezdetben nem tudta, hogy valaha tényleg lesz-e belőle műhold, vagy hogy az ő cége tervezheti-e majd meg az egyes rendszereit. Ezért ennek ismeretében keményebben dolgozott: „Azt szerettem volna, hogy ezt válassza végül az ESA, amihez az kell, hogy ennek legyen magasabb szinten a technikai készültsége.”
A Földhöz hasonló bolygókat keres majd az európai PLATO űrtávcső
A FORUM-mal nagyjából egy időben, 2026 körül indulhat el az ESA PLATO űrtávcsöve, amely elsősorban Földhöz hasonló exobolygókat keres majd, Napunkhoz hasonló csillagok körül. Pluhár szerint „a PLATO űrtávcső az ESA-n belül is nagy projektnek számít, és van benne egy kis sci-fi-s hangulat. Ez nem egy pragmatikus műhold, amit felküldünk Föld körüli pályára, és mondjuk a vegetációt monitorozza a mezőgazdasági szakembereknek, hanem azért indítjuk az űrbe, hogy jobban megértsük a világegyetemet”. Az űrtávcső különlegességei között van, hogy azt a Lagrange 2 pontba küldik majd, ami a Földet és a Napot összekötő egyenesen, a Naptól átellenes oldalon, bolygónktól másfél millió kilométerre található. Bár az L2 matematikailag egy pont, a valóságban az ott lévő űreszközök – így a James Webb űrtávcső is – egy úgynevezett halo pályán keringenek, ami elég messze van a Földtől ahhoz, hogy bolygónk, vagy a Hold ne zavarja a méréseket, illetve hőszabályozási szempontból is rendkívül stabilnak tekinthető.
„Azt fogja megnézni, hogy mely csillagok körül keringhetnek még bolygók. Sokáig az volt a kérdés, hogy vannak-e más csillagok körül bolygók, ma pedig már az, hogy ezek hol vannak, és mennyire hasonlítanak a Földre, ezeket szeretnénk a PLATO-val megtalálni” - vázolja a mérnök a PLATO űrtávcső jelentőségét. A csillagok Földtől való távolságából eredően a PLATO az exobolygó-kutatásban évtizedek óta sikerrel alkalmazott fedési (transit) módszerrel keres majd bolygókat. A műhold 3–6 hónapig néz majd egy irányba, és figyeli, hogyan változik a csillagok fényessége – így megállapítható, hogy van-e bolygó az adott csillag körül, hogy milyen messze van a csillagtól az exobolygó, és mekkora a tömege. Pluhár szerint „vannak olyan optimista kutatók, akik a PLATO és a James Webb űrteleszkóp összehangolásában gondolkodnak, azaz a PLATO megtalálná a célpontokat a James Webbnek, majd utóbbi spektrométere segítségével megvizsgálná az exobolygó légkörét az azon áthaladó csillagfény mérésével. Ennek a fénynek a spektrumából már meg lehet nézni, mely hullámhosszokon nyelődik el a sugárzás, így meg lehet mondani, hogy milyen összetevőkből áll a bolygó légköre”.
Bár Pluhár a PLATO tervezésében nem vett részt, szerinte az űrtávcsőnek viszonylag egyszerű hőszabályozó rendszere van, és a James Webbhez némileg hasonlóan rendelkezik egy pajzzsal, ami a napfénytől védi az űreszközt. A szakember a tervezés helyett a tesztelési folyamatnál segített be: az űrtávcső rendszereinek próbáit felügyelte. A tesztelésre azért van szükség, mert bizonyítani kell, hogy a műhold a hőmérséklet-szabályozást tekintve megfelelően működik majd a világűr körülményei között. Ezek a tesztek a műhold méretétől függően különböző méretű vákuumkamrákat igényelnek, amelyekben a mérnökök elő tudják állítani a világűr körülményeire reprezentatív vákuumot és hőmérsékletet, ami szükséges az ESA-követelmények teljesítéséhez.
Egy PLATO méretű űreszköz esetén a lehető legnagyobb tesztkamrára van szükség, „ehhez pedig el kell menni Hollandiába az ESTEC-hez, az ESA egyik központjába, ahol Európa legnagyobb vákuumkamrája található. Ez akkora, hogy nem ajtaja van, hanem egy hatalmas fedél van rajta, amit daruval kell leemelni, majd belehelyezni a műholdat.” Ennek a kamrának nemcsak mérete, hanem működtetési költsége is hatalmas, napi szinten a több tízezer eurót is elérheti, ami annak fényében, hogy sokszor egy hónapig, éjjel-nappal üzemelnie kell egy tesztelési folyamatban az ESA-követelmények alapján, jelentős költséggel jár.
Pluhár a tesztelés során alapvetően a hőszabályozó rendszer szabályozásáért felel, és beavatkozik, ha valamilyen anomáliát lát. „Ha egy kész műhold teszteléséről beszélünk, annak vannak kritikus részei, például a műhold lítiumion-akkumulátorai, amiket 5–35 fok között kell tartani, különben tönkremennek. Ha azt látom, hogy elkezdene túlmelegedni, vagy nagyon lehűlni, közbe kell avatkoznom a hőszabályozó rendszerben, meg kell óvnom a műholdat, ami néha stresszes tud lenni.”
Kapcsolódó cikkek a Qubiten:
