ESTCube-2 blogi 1-2

ESTCube-2: missioon kosmoseprügi probleemi lahendamiseks

Loed esimest artiklit kokku kahest ESTCube-2 rääkivast blogist. Siin tutvustame selle peamist ülesannet, demonstreerida plasmapiduri tehnoloogia abil satelliidi orbiidi langetamist. Kui oled seda juba lugenud, võta ette meie teine artikkel, kus räägime missiooni tehnilisest küljest, sellest, kuidas meeskond kompab kuupsatelliitide võimaluste piire ja edusammudest kosmosemissiooniks 2022. aastal.

Kosmos on tühi. Tõepoolest, suurem osa sellest on vaakum, milles veidi plasmat, kiirgust ning aatomid ja molekulid üksteisest liiga kaugel, et üksteist gravitatsiooniliselt mõjutada. Inimestel on aga kahjuks kalduvus oma ümbrust prügistada ja erandiks pole ka Maa orbiit. Enam kui 35 000 kilomeetri kõrgusel ekvaatori kohal asub ainulaadne ja hinnaline geostatsionaarne orbiit (Geostationary Earth Orbit, GEO), mille orbitaalperiood vastab täpselt Maa 24-tunnisele pöörlemisperioodile. GEO-l lennates paistavad sidesatelliidid ekvaatori kohal taevas seisvat, andes neile katkematu ühenduse maapealsete satelliitsidejaamade ja muude vastuvõtjatega. GEO on niivõrd väärtuslik, et selle kasutamist reguleerivad ranged reeglid: iga satelliit peab oma eluea lõpus olema veel piisavalt funktsionaalne, et uutele satelliitidele ruumi tegemiseks mitusada kilomeetrit oma orbiiti tõsta. See pole just ideaalne lahendus, kuid vähemalt lükkab see kosmoseprügi probleemi mitu sajandit, kui mitte aastatuhandet edasi, enne kui jõuame punkti, kus liiga paljud surnud satelliidid on GEO tasandile tagasi langenud ja jäävad nende tulevastele kolleegidele ette, ohustades nende tööd.

Maa madalorbiidil (Low Earth Orbit, LEO) on olukord vähem reguleeritud. Alates 1950. aastatest on see olnud, ja on jätkuvalt, täis surnud satelliite. Ametitevahelise kosmoseprügi koordineerimiskomitee uuring näitas, et kokkupõrgete tõttu suureneb kosmoseprügi hulk isegi siis, kui midagi uut orbiidile enam ei saadeta. 

Kosmoseprügi Maa orbiidil. Allikas: Euroopa Kosmoseagentuur

Seda nähtust nimetatakse Kessleri sündroomiks. Sarnaselt kliimamuutuste vastase võitlusega nõuab ka kosmoseprügi probleem valitsuste ja valitsustevaheliste institutsioonide koostööd kogu maailmas. Selline koostöö on siiani toonud kaasa niinimetatud ‘25-aasta reegli’, mis nõuab satelliitide desorbitatsiooni (ehk tagasi atmosfääri kukkumist) 25 aasta jooksul pärast nende tööea lõppu. Madalorbiidi ohutu ja usaldusväärsena hoidmiseks on siiski vaja teha suuremaid pingutusi, seda nii poliitika kujundamisel kui ka tehnoloogia valdkonnas.

Kosmoseprügi vastase võitluse võib jagada kahte laia kategooriasse.

Juba olemasoleva prügi mõju vähendamiseks saame arendada välja eriotstarbelised satelliidid, mis on võimelised kosmoses surnud satelliidile lähenema, selle kinni püüdma ja koos endaga orbiidilt eemaldama. Iga samm hõlmab siinkohal mitmete uute lahenduste arendamist ning see on äärmiselt keeruline ja kulukas. Hetkel puudub inimkonnal selline võimakus üleüldse, ning isegi arendusjärgus olevate missioonide, nt ClearSpace-1, korral võib ühe prügiobjekti eemaldamise maksumus olla kuni 86 miljonit eurot. Satelliidi eemaldamine orbiidilt võib seega maksta rohkem kui satelliidi esialgne arendus.
Teine lahendus oleks ‘passiivne’ prügi tekkimise ennetamine, valides missiooniks piisavalt madala orbiidi, et satelliit saaks tänu atmosfääri tekitatud hõõrdejõu pidurdamisele loomulikul teel tagasi Maa atmosfääri kukkuda. Samuti saab paigaldada satelliidile lisamoodulina keemilise või päikeseelektrilise tõukejõusüsteemi, mis aitab tal missiooni lõpus iseseisvalt tagasi atmosfääri siseneda. Selline süsteem nõuab nii raketikütust kui töökorras asendikontrollisüsteemi.

Alternatiivne lahendus oleks kasutada erinevaid raketikütust mitte nõudvaid tõukejõusüsteeme. Näiteks footon- või päikesepurjele sarnanev pidurduspuri, mis satelliidi järel veetavana suurendaks õhutakistust ja kahandaks sellega järkjärgult satelliidi orbiiti. Suurenenud pindalaga on satelliidil aga kokkupõrke tõenäosus kosmoseprügiga samuti suurem.

Plasmapidur, nagu see, mida on üksikasjalikult kirjeldatud ESTCube-1 artiklis, võib aidata probleemi lahendada elektrilise pidurduspurje loomisega. See töötab peenikese ja kõrge pingeni laetud traadi abil, mida ümbritsev elektriväli tekitab ionosfääri plasmas Coulomb‘ pidurdusefekti.

Kunstniku kujutus jaapanlaste IKAROS kosmoseseadmest. IKAROS startis kosmosesse 2010. aastal ja liikus edasi päikeselt tulevate footonite energial. Autor: Andrzej Mirecki

Tänu edukale ESTCube-1 missioonile sünnib ESTCube-2 taaskord koostöös Tartu satelliidimeeskonna ja Soome meteoroloogiainstituudi (FMI) vahel, kuid seekord juba suuremate ambitsioonidega; satelliit on kolm korda suurem, kannab palju lisalasti ja selle platvorm seob (lisaks eelneva missiooni võimekusele) endas kõrge tasemeni lõimitud ja täiustatud navigeerimis- ja juhtimistehnika: tähejälgija, külmgaasi tõukejõumooduli ja reaktsioonirattad. Kuigi ESTCube-2 idee on eksisteerinud eri kujul alates 2012. aastast, ja mõned sellekohased varasemaid teadustööd kaitsti 2014. aastal, oli projekti käima lükkumine raskustes nii esmase rahastuse puudumise kui ka hõivatud tuumikmeeskonna tõttu. Siinkohal võib mainida nii ESTCube-1 operatsioone ja orbiidilt kogutud andmete analüüsi ja samuti kaamerate väljatöötamist Euroopa üliõpilaste sateliidile (European Student Earth Orbiter, ESEO).
ESTCube-2 projekt leidis uue valguskiire kõige süngemal hetkel aastatel 2015-2016, kui kamp entusiastlikke suvetudengeid korraldas TÜ füüsikainstituudis sügisese värbamiskampaania. Selle sündmuse tegi ebatavaliseks ettevõtja Priit Salumaa publikus hulka sattumine. Ta pöördus projekti juhtkonna poole pakkumisega, millele nad ei suutnud vastu panna: vastutasuks kosmosetehnoloogia teemalise häkatoni korraldamise eest aitab ta süstida projekti uut hingamist läbi sponsorite leidmise. Peagi peale seda, 4. jaanuaril 2016 loodi Eesti Tudengisatelliidi Sihtasutus ning 1. aprillil sai ESTCube-2 projekt rahalise päästerõnga Ahti Heinlalt. Nagu lubatud, toimus 27. kuni 29. maini esimene Garage48 SpaceTech häkaton.

ESTCube-2 meeskond Tartu observatooriumis 2016. aasta suvel. Allikas: ESTCube arhiiv.

ESTCube-2 missiooni aluspõhimõtted jäävad samaks nagu ESTCube-1 puhul, milleks on demonstreerida uut tõukejõu kontseptsiooni, ehk Coulomb‘ tõukejõusüsteemi (Coulomb Drag Propulsion, CDP), mis töötab kahes eri režiimis. Esiteks saab Maa madalorbiidil, kuhu ESTCube-2 suundub, Coulomb‘ tõukejõudu kasutada plasmapidurina, mille efekt tekib tänu negatiivselt laetud traadi ja ümbritseva ionosfääri plasma vahelisele tõukejõule. Teised režiimis oleks võimalik päikesetuulega kokkupuutel positiivselt laetud traati kasutada päikesesüsteemis liikumiseks elektrilise purjena (e-puri).

Avaldame selle artikli ESTCube-2 arengu kriitilisel perioodil. Meeskond loodab, et suurem osa arenguetapist on juba selja taha jäänud. Satelliidi insenerimudelit (engineering model, EM) valmistatakse ette erinevateks testideks, mis on tarvilikud, et kvalifitseerida satelliit kosmosekõlbulikuks. EM on peaaegu identne lennumudeliga (flight model, FM), ilma et see sisaldaks kalleid kosmosekindlaid komponente. Loodetakse, et EM-i testid kinnitavad, et FM ei vaja edasisi muudatusi. Kuigi mõned testid on mõeldud satelliidi funktsioonide, näiteks energiatootmise ja asendi määramise testimiseks, on teised testid mõeldud satelliidi vastupidavuse demonstreerimiseks. Teisisõnu, keskkonnakatsete eesmärk on tagada, et kui satelliit võib keskkonnategurite mõjul hävida, toimuks see katsetingimustes, mitte raketil või kosmoses. ESTCube-2, nagu kõik satelliidid, peab vastu pidama vibratsiooni- ja põrutuskatsetele, jäljendades väga jõhkrat keskkonda, kuhu satelliit kanderaketil satub. Termilise vaakumi testid näitavad satelliidi võimet opereerida äärmuslikes temperatuurides ja kosmoses valitsevas vaakumis.

ESTCube-2 meeskond kavatseb 2021. aasta suvel läbi viia esimese EM-testide partii, valmistudes sellega peatselt ka lõpliku lennumudeli arenduseks. Kõige olulisemad lennumudeli testid on planeeritud algama juba sügisel, kuna satelliidi üleandmine on planeeritud 2022. aastasse. 

ESTCube-2 insenerid teevad satelliidiga tööd Tartu observatooriumi kosmosetehnoloogia laboris. Foto: Laila Kaasik

ESTCube-2 käivitamist toetab Euroopa Komisjoni programm „In-Orbit Demonstration/Validation (IOD/IOV)“ ehk (lahenduste demonstreerimine ja tõendamine orbiidil), mida haldab Euroopa Kosmoseagentuur. Hetkeseisuga on plaanis viia ESTCube-2 orbiidile Arianespace'i raketi Vega-C pardal 2022. aasta teises pooles.