Koit ja Hämarik karmis kosmoses

Eesti on üha enam kosmoseriik: üks edukas nanosatelliidi missioon on seljataga, juuli alguses saadeti orbiidile satelliit Koit, selle paariline Hämarik ootab oma tähetundi, mis loodetavasti saabub veel enne selle aasta lõppu. Kirjutab kaasautor Ants Vill.

Tänavu, 5. juulil viis Vene kosmoseagentuuri Roskosmos kanderakett Sojuz Vostotšnõi kosmodroomilt lisaks suurele meteosatelliidile 500 kilomeetri kõrgusele orbiidile 32 nano- ehk kuupsatelliiti, nende seas oli ka Tallinna Tehnikaülikooli satelliidiprogrammis loodud Koit. Väljasaatmine õnnestus, nüüd tegeldakse satelliidiga ühenduse loomisega.

Koos Koiduga valminud sarnane satelliit Hämarik pidi esialgsete plaanide järgi startima septembris, kuid Euroopa kosmoseagentuuri (ESA) eelmise satelliite kandnud kanderaketi Vega plahvatamise tõttu on väljalennutamine edasi lükatud. Agentuur teatas, et lennud ei jätku enne, kui avarii põhjus on välja selgitatud. Praegustel hinnangutel on starti ESA Prantsuse Guajaanas asuvalt Kourou kosmodroomilt oodata detsembris.

Satelliidiprogrammi lahutamatu osa on satelliitidega sidepidamiseks vajaliku maa-jaama rajamine. 5-meetrise diameetriga paraboolantenn on valmis, käib selle juhtimise tarkvara arendamine ja katsetamine. Lähiajal on oodata sõrestikantenni paigutamist tehnikaülikooli innovatsiooni- ja ettevõtluskeskuse Mektory katusele.

Insenerid ja tiimitöö

Kui programmiga 2014. aastal alustati, haarati selle tegevusse järk-järgult kümmekond tehnikaülikooli instituuti, kel huvi ja oskusi kosmoseteemadega tegeleda. Tudengeid on programmis viie aasta jooksul kaasa löönud üle 200, peamisi arendussuundi vedavaid juhendajaid on enam kui kümme. Igal aastal lõpetab osa tudengeid ülikooli, nende asemele asub sügiseti paarkümmend esimese-teise kursuse üliõpilast. Kaasatud on ka hulk muid ettevõtteid ning teadusasutusi.

„Tegu on tõsise osaga inseneride ettevalmistustööst – lahendatud ülesannete ja valminud satelliidisõlmede baasil on kirjutatud hulk kursusetöid, kaitstud bakalaureuse- ja magistrikraade,” ütles Mektory kosmosekeskuse satelliidiprogrammi juht Rauno Gordon, kui kohtusime Mustamäel Tehnopolises asuvas Küberneetika Majas. Kohtumispaiga valik ei olnud juhuslik – sealses laboris saab viimast stardieelset lihvi satelliit Hämarik.

Rauno Gordoni sõnul oli programmi kontseptsioon kohe alguses paigas, aga ideede arendamine ning tehnoloogiate paikasaamine võttis mitu aastat aega. „Suur osa probleemidest sai viimase aasta jooksul lahendatud. Hoolimata pikast hoovõtust oli enne Koidu üleandmist Saksamaal asuvale firmale, kes tegeleb nanosatelliitide Sojuzile paigutamisega, väga kiired ajad. Nii mõnelgi mehhaanikul ja elektroonikul oli kiireid toimetusi täis töö,” ütles ta.

Hoolimata väiksetest mõõtudest (kuupsatelliidi küljepikkus on 10 cm, kaal 1,3 kg) tuli satelliitidele paigutada viis peamist süsteemi: pardaarvuti, optiline süsteem, asendi kontrolli seadmestik, energiamoodul ja sidesüsteem.

„Algus polnud lihtne. Mõtlemist oli palju – milliste komponentidega ja millises suunas liikuda,” ütles tehnikaülikooli elektroonika instituudi doktorant Eiko Priidel, kes juhendab satelliitide pardaarvutite arendamist ning ehitamist. Tema sõnul oleks võinud ju ka lihtsalt läbi ajada: osta valmis komponendid ning nendest oma süsteem kokku panna. Selleks ajaks, kui Tallinnas programmiga alustati, olid juba tekkinud poed, kust oleks saanud valmis alamsüsteeme osta. Praegu saab osta juba ka valmis satelliite.

„Me ei tahtnud seda teed minna aga põhjusel, et nii õpib kõige vähem. Saad toimiva süsteemi, siis saad seda väheke programmeerida, ja ongi kõik…,” selgitas Priidel.

Ta tuletas meelde, et kui Eesti liitus 2015. aastal ESA-ga, tehti suur kaardistamine – millised Eesti firmad võiksid kosmosevaldkonnas midagi pakkuda ja siis selgus, et olukord nn spacesegment’i tehnoloogiate osas oli vägagi kesine. „Põhjus selliseks põuaks on lihtne – et saada üldse mingit lepingut kosmosevaldkonnas, peavad olema ette näidata varasemad tööd. Samas aga on oskusteavet ja kogemusi pea võimatu hankida, kuna sel alal on sisenemisbarjäär kõrge ja kallis,” jutustas Priidel.

Ülikoolide tudengisatelliidiprogrammid on selle barjääri ületamisel pea ainus kättesaadav tee. Näiteks Tartu Ülikooli programmi ESTCube tiimist on tööl insenere NASA-s, tiim on saanud tellimusi ESA käest, sealt on välja kasvanud mitu kosmosetehnika allsüsteeme valmistavat idufirmat. „Meile saabub ESA kaudu iga kuu sadu pakkumisi erinevate süsteemide arendamiseks. See on kindel ja kõrgesti tasustatav töö, selleks tasub õppida ja pingutada,” märkis Priidel.

Karm kosmos

Koidu ja Hämariku peamine missioon on pildistada orbiidilt liitvärvi (RGB) ja lähiinfrapunakaameraga (NIR) Maa pinda ning läkitada saadud kujutised raadio teel maa-jaama. Kahe kaameraga saadava kujutise koguresolutsioon on nanosatelliidi jaoks ülikõrge – 5 megapikslit. Tavapäraselt on nanosatelliitidele paigutatavate kaamerate eraldusvõime jäänud 0,5 megapiksli juurde. „Korraga pildistatava maa-ala küljepikkus on 100 kilomeetrit, eraldusvõime alampiiriks on 25 meetrit,” ütles Gordon. Kahe, nähtava valguse ja NIR-kaamera, kasutamine sobib eriti taimekasvu seisundi hindamiseks.

Suur resolutsioon toob kaasa ka suuremahulised pildid, mille edastamine Maale seniste nanosatelliitide puhul kasutatavate lahendustega olnuks võimatu. Nii Koidul kui Hämarikul on pardal lisaks kuupsatelliitidele tavapärase, 435 megahertsise kahesuunalise raadioühenduse ultralühilaine alas uuenduslikult x-riba kasutav raadiosaatja, 10 gigahertsine allalaadimiskanal. See on sama sagedusriba, mida kasutab SAT-TV.

„Seda ei ole varem tehtud. Esiteks seepärast, et ei ole olnud kõrgsageduslikke komponente, teiseks seepärast, et x-riba saatja kasutegur on väga madal. Seda on piiratud energiaressursiga kuupsatelliidil raske tõhusalt tegutsema saada,” nentis Priidel ja lisas, et nende x-riba lahendus on kindlasti tehnoloogia, mis pakub huvi ka teistele kosmosetehnoloogia arendajatele.

Lisaks Maa seire missioonile on satelliidil veel olulised teaduskatsed: arvutustehnika tõrkekindluse katse kosmose karmides kiirgusoludes ja optilise side katse, milleks on satelliitidel tugevajõulised laserid. Programmi teise satelliidi lisandumine annab võimaluse katsetada ka raadiosidet kahe satelliidi vahel ning ionosfääri seisundi hindamist raadiolainete levi uurimise abil.

Projekti käigus tuli leida insenerlik lahendus satelliitide vastupidavaks muutmisele kosmoses valitsevatele ülikarmidele oludele. Kõigepealt peab satelliit üle elama kanderaketiga orbiidile saatmise, pooltel juhtudel see ei õnnestu. Lennu ajal mõjub satelliitidele 20 minuti jooksul koormus 10 G, raketiastmete eraldumisel tekivad raketis aga ülilühikese kestvusega šokilained, mil koormus ulatub isegi kuni 10 000 G-ni. Selleks testitakse satelliite eelnevalt kohustuslikus korras vibrostendidel.

Orbiidil mõjutab satelliite seal vähesel määral leiduv monohapnik, millel on väga korrosiivne toime, samas avaldab kahjustavat mõju ka vaakum. Samuti suured temperatuurikõikumised – oma pooleteisetunnisel tiirul on kuup tunni päikese käes ja pool tundi varjus. „Aga kõige suurem oht varitseb orbiidil elektroonikat – päikesetuul ehk Päikeselt lähtuv tugev kiirgus mõjub mikroskeemidele ja pooljuhtidele väga kahjustavalt. Kiirguskindlad elemendid on väga kallid, kiirguskaitse pisikesele satelliidile hästi ei mahu,” kirjeldas Priidel lahendamist vajanud probleeme.

Side ootuses

Nagu eespool mainitud, toimus Koidu ja veel 31 teiste arendajate satelliitide edukas start juuli alguses. Pärast kassetist väljapaiskamist peab satelliit 45 minutit hiljem avama päikesepaneelidega tiivad ning hakkama raadio teel edastama infot oma seisundi kohta. Paraku pole Tallinnas kindlat signaali siiani kätte saadud. Probleem on lühikeses ülelennu ajas – sõltuvalt orbiidi kõrgusest horisondi suhtes on see 5–10 minutit, sellesse vahemikku ei pruugi sattuda satelliidilt kord kolme minuti tagant välja saadetav lühike, 50 millisekundit kestev andmepakett. Praeguseks on väikeste vahedega raketist väljutatud satelliitide pilv veninud nii pikaks, et selle parve esimene ots on maapealse jälgija jaoks jõudnud juba horisondi taha, kui saba alles silmapiiri tagant välja tõuseb. Samas on vastuvõtuantenni suunategur kitsas, 5–10 kraadi. „Nüüd loome tarkvara, millega kõik parves olevad satelliidid maajaama poolt ükshaaval üle kuulata. See võib võtta mitu nädalat,” ütles Priidel.

Enne järgmise satelliidiprogrammi käivitamist seisab ees veel suur töö Koidu ja Hämarikuga plaanitud eksperimentide läbiviimisega. „Siis veel saadud andmete läbitöötamine, järelduste tegemine ning tulemuste avaldamine, et näidata, mida oleme saavutanud,” ütles satelliidiprogrammi juht Rauno Gordon kokkuvõtteks.

Missioon

Satelliidiprogrammi eesmärk on olnud projekteerida, ehitada ning lennutada orbiidile nanosatelliit, millega saab teostada maapinna optilist seiret ja teha orbiidil mitmeid katseid, samuti luua maa-jaam ja selle kaudu juhtida satelliiti ning vastu võtta mahukaid andmevooge.

Tudengisatelliidi programmis on üliõpilased saanud praktilise tegevuse käigus teadmisi inseneeria ja kosmosetehnoloogia valdkondadest. Ühtlasi on see olnud nende õppetöö üks osa. Satelliidimissiooni kaugem eesmärk on tagada Eestis uute tehnoloogiate areng ning kõrgetasemelise tööjõu väljaõpetamine Eesti ja ka rahvusvaheliste kosmose- ning tehnoloogiavaldkondade ettevõtete tarvis.

Üleülikooliline ja rahvusvaheline tudengisatelliidi programm sai alguse 2014. aastal. Põhjaliku töö tulemusel valmis lõpuks kaks satelliiti, kuna avanes lisavõimalus teise satelliidi üleslennutamiseks. Pärast üleslennutamist algab missioonietapp, kui asutakse täitma plaanivõetud seire- ja muid katseülesandeid.

Satelliidiprogrammile on õla alla pannud Datel, Telegrupp AS, Stoneridge, CGI, MEDIQ ja EANS. Tehnikaülikoolis arendavad satelliiti Thomas Johann Seebecki elektroonikainstituut, Küberneetika instituut, Tarkvarateaduse instituut, Materjali- ja keskkonnatehnoloogia instituut, Meresüsteemide instituut, Ärikorralduse instituut ning Mehaanika- ja tööstustehnika instituut.

Koidu ja Hämariku n-ö käekäiku saab jälgida veebisaidil satelliit.taltech.ee