Finalizują się marzenia studentów Politechniki Warszawskiej o podboju kosmosu.  Zbudowany w  Studenckim Kole Astronautycznym  niewielki satelita  PW-Sat2 jest już gotowy do startu. Został zintegrowany w Centrum Badań Kosmicznych PAN oraz w laboratoriach Centrum Zaawansowanych Materiałów i Technologii CEZAMAT i przeszedł pomyślnie specjalistyczne testy. Latem tego roku z Kalifornii wyniesie go na orbitę rakieta Falcon 9. Zadaniem misji edukacyjnej jest sprawdzenie w przestrzeni kosmicznej trzech eksperymentalnych rozwiązań zaprojektowanych i wykonanych przez konstruktorów satelity – żagla deorbitacyjnego, czujnika Słońca i układu zasilania.

Prace koncepcyjne nad projektem PW-Sat2 rozpoczęły się w 2013 roku. Kilkanaście miesięcy później powstały już pierwsze prototypy żagla deorbitacyjnego oraz projekty kilku podstawowych podsystemów.  Strukturę satelity, w skład której wchodzi między innymi zasobnik żagla i stelaż dla kamer, opracowano zgodnie ze standardem CubeSat.  PW-Sat 2 jest niewielkim prostopadłościan o wymiarach 10 x 10 x 22 cm i masie 2,6 kg.

– Etap projektowy większości elementów satelity zakończył się w 2016 roku, a następnie  zespół przystąpił do produkcji prototypów inżynieryjnych – wyjaśnia Inna Uwarowa, koordynatorka projektu PW-Sat2. – Nie wszystko wykonaliśmy samodzielnie. Kupiliśmy m.in. komputer pokładowy, który jest mózgiem satelity oraz układy komunikacji i sterowania, w tym m.in. panele słoneczne, akumulatory i anteny. System zasilania satelity jest naszym autorskim projektem. Został zbudowany w taki sposób, aby sprostać konkretnym wymaganiom naszych eksperymentów. Wraz z firmą Future Processing, stworzyliśmy oprogramowanie do komputera pokładowego satelity, który będzie zarządzać przebiegiem  całej misji, która potrwa w przestrzeni kosmicznej 40 dni.

Autorskie rozwiązania zmodyfikowane po pierwszym locie w kosmos

PW-Sat2 jest następcą wystrzelonego w kosmos przed 6 laty, pierwszego polskiego satelity PW-Sat, opracowanego przez Studenckie Koło Astronautyczne i Studenckie Koło Inżynierii Kosmicznej przy współpracy z Centrum Badań Kosmicznych PAN. Obiekt był dwukrotnie mniejszy od obecnego satelity. W przestrzeni kosmicznej miał sprawdzić działanie nowatorskiego systemu  deorbitacji zwanego „ogonem” oraz elastycznych fotoogniw w przestrzeni kosmicznej.

– Ta misja nie do końca się powiodła, ponieważ PW-Sat miał na orbicie problemy z niedoborem energii – wspomina Inna Uwarowa, która była zaangażowana również w poprzedni projekt. – Pojawiły się trudności i system deorbitacji  nie zadziałał.  Nowy satelita  posiada zupełnie inne rozwiązanie. Jest nim żagiel deorbitacyjny o powierzchni 4 m kw., wykonany z niezwykle wytrzymałej na ekstremalne warunki folii. Jest on zwinięty wewnątrz cylindrycznego pojemnika, skąd zostanie odblokowany i wysunięty po zakończeniu misji, co pozwoli na zwiększenie oporu  aerodynamicznego obiektu.

Satelita będzie hamował i obniżał wysokość do momentu kiedy się spali w atmosferze. Takie rozwiązanie wychodzi  naprzeciw oczekiwaniom Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA) i dotyczy sprowadzania z orbity zużytych obiektów. To ma ograniczyć coraz poważniejszy  problem tzw. kosmicznych śmieci, które krążą w ogromnej ilości wokół Ziemi.

Podstawą jest integracja systemów

– Skuteczność mechanizmu otwarcia żagla została potwierdzona podczas kampanii testowej na Drop Tower w Bremie – zapewnia koordynatorka projektu. – Najpierw oczywiście musieliśmy ten żagiel, który ma powierzchnię 4 m kw. zintegrować z satelitą.   To wymagało dużej przestrzeni, zapewniającej czyste i bezpieczne warunki do prowadzenia takich działań. Kontynuowaliśmy te prace w pomieszczeniach Centrum Zaawansowanych Materiałów i Technologii CEZAMAT,  należącego do Politechniki Warszawskiej. Te laboratoria musieliśmy jednak dodatkowo wyposażyć w odpowiednie urządzenia, ponieważ  przy projektowaniu były przystosowane do wykonywania innych prac rozwojowych i wdrożeniowych.

–  Wszystkie elementy systemów mechanicznych i elektronicznych zostały zintegrowane i przetestowane w CEZAMAT-cie oraz w Centrum Badań Kosmicznych – podkreśla koordynatorka projektu. – Jesteśmy bardzo dumni z naszych dokonań i teraz czekamy niecierpliwie na start satelity latem tego roku.

W ciągu 5 lat,  prawie 100 osób przewinęło się przez realizację projektu, który zainicjowała siedmioosobowa grupa entuzjastów.  Obecnie w te działania zaangażowane jest ok. 25 osób. Są to m.in. elektronicy, mechanicy, programiści, których cenne doświadczenie z budową satelity PW-Sat 2 będzie z powodzeniem wykorzystywane w  sektorze kosmicznym w kraju i na świecie.

Bezcenne doświadczenie

– To jest największa wartość w tym projekcie, ponieważ młodzi ludzie uczą się rozwiązań technicznych, ale także organizacyjnych – ocenia Grzegorz Brona, prezes Polskiej Agencji Kosmicznej. –  Doświadczenie kadry zdobyte przy budowie studenckich satelitów będzie wszędzie procentowało. Przy takich przedsięwzięciach liczy się praca zespołowa, najwyższa jakość wykonania, standaryzacja i przestrzeganie niebywale precyzyjnych procedur.  Nawet jeśli te osoby nie trafią do pracy w sektorze kosmicznym, to będą miały te nawyki ugruntowane już na zawsze. Ich wiedza i doświadczenie będzie bezcenne w każdej dziedzinie i  gałęzi gospodarki.

Potencjał do rozwoju sektora kosmicznego w Polsce jest coraz większy, dlatego powinny powstać programy wspierające działania badawczo-rozwojowe i finansowe w tym zakresie. Polska Agencja Kosmiczna planuje organizację konkursów dla grup studenckich, które wykażą  taką inicjatywę.

– Musimy to wszystko uzgodnić jeszcze z decydentami, ale nie ma innej drogi żeby  tworzyć przełomowe rozwiązania – kontynuuje prezes PAK. – W perspektywie kilku lat pełni zapału, kreatywni ludzie nauczą się inżynierii kosmicznej, programowania i doskonałej organizacji pracy. Fantastyczny projekt satelitarny czy kosmiczny można zrealizować nawet w granicach miliona  złotych. Do rozwijania takich eksperymentalnych technologii dla nowoczesnego przemysłu i sektora kosmicznego dobrze przygotowany jest CEZAMAT. Trzeba tylko wprowadzić odpowiednie źródła finansowania tych działań. PAK będzie je na pewno mocno wspierać.  Z czasem przełoży się to na wspaniałe osiągnięcia.

 

Priorytety CEZAMAT-u

Przemysł kosmiczny obok zbrojeniowego, jest jednym z podstawowych sektorów katalizujących powstawanie nowych technologii, które znajdują zastosowanie w wielu  obszarach cywilnych, odpowiadających na potrzeby współczesnego społeczeństwa.  Innowacyjne rozwiązania, które powstają w Centrum Zaawansowanych Materiałów i Technologii CEZAMAT mogą po przeprowadzeniu niewielkich modyfikacji i dostosowaniu do konkretnego zapotrzebowania, spełniać kluczową rolę w pozornie niezwiązanych dziedzinach aplikacyjnych.

– Dobrym przykładem takiej technologii jest Energy Harvesting, czyli pozyskiwanie energii z otoczenia i przekształcanie jej w energię elektryczną np. z różnicy temperatur, zmian ciśnienia, drgań –  przekonuje Marcin Lelit, specjalista ds. badan i rozwoju biznesu CEZAMAT-cie. – Moduły pozyskujące energię w ten sposób, tak zwane harwestery energii, mogą być z powodzeniem stosowane w elektronice Internetu Rzeczy, działającej w przestrzeni miejskiej, środkach komunikacji, budynkach publicznych i prywatnych, zakładach przemysłowych, rolnictwie, a także w satelitach wszelkiego typu. Podobna prawidłowość występuje dla większości technologii związanych  m.in. z mikroelektroniką, sensoryką, pozyskiwaniem i analizą sygnału w rożnych pasmach, a także technologii komunikacyjnych i materiałowych. Technologie kosmiczne i satelitarne są jedną z  naszych osi priorytetowych w CEZAMAT-cie.

Przykłady rozwiązań znajdujących zastosowanie w aplikacjach kosmicznych to:

• Elektronika drukowana. Lekkie i elastyczne podłoża, ścieżki przewodzące oraz układy elektroniczne odporne na promieniowanie i ekstremalne warunki pracy typowe dla misji satelitarnych.
• Dedykowane scalone układy elektroniczne. Projektowanie i testowanie dedykowanych układów scalonych specjalnego przeznaczenia, w tym procesorów, odbiorników GNSS, układów łączących wiele bloków funkcjonalnych (tzw. System-on-Chip) przystosowanych do warunków pracy w przestrzeni kosmicznej.
• Elektronika na podłożach GaN. Rozwój elektroniki wykorzystującej azotek galu. Ta technologia pozwala na zmniejszenie masy układów elektronicznych, zwiększenie odporności układów na promieniowanie, w tym zmniejszenie ryzyka przebicia. Dodatkowo, układy wykorzystujące GaN mogą osiągać wyższe częstotliwości pracy, mogą też pracować w szerszym zakresie temperatur.
• Bezprzewodowe sieci komunikujących się czujników (WSN), rozwiązania IoT. Satelita jest modelowym nośnikiem rozwiązań Internetu Rzeczy. Monitoring strukturalny, autodiagnostyka satelity. WSN znajdują również zastosowanie w coraz popularniejszym trendzie odchodzenia od dużych satelitów, na rzecz konstelacji większej liczby małych, komunikujących się ze sobą satelitów wynoszonych na niskie orbity.
• Energy Harvesting. Wiele technologii pozyskiwania energii z otoczenia może znaleźć zastosowanie w misjach kosmicznych. Dostępne różnice temperatur (wynikające np. z naprzemiennego zacienienia i nasłonecznienia powierzchni satelity), możliwe odzyskiwanie strat energii i inne źródła stanowią bezcenne uzupełnienie dla drogich ogniw słonecznych, czy ograniczonych zapasów paliwa.