Polscy inżynierowie budują kosmiczne laboratorium

Już za dwa lata nanosatelita badawczy SPARK (Spacecraft Platform Architecture for Research and Key-enabling missions) zostanie wyniesiony na niską orbitę okołoziemską (LEO). Mimo niewielkich rozmiarów, platforma ta otworzy niemal nieograniczone możliwości prowadzenia eksperymentów, testów i pomiarów w warunkach mikrograwitacji.

SPARK to odpowiedź na potrzebę stworzenia lekkiej i modułowej polskiej platformy do prowadzenia badań w przestrzeni kosmicznej. Modułowa konstrukcja pozwoli szybko i w prosty sposób dostosować ją do różnych misji – zarówno naukowych jak i komercyjnych, wojskowych jak i cywilnych.

Od rakiet suborbitalnych po satelity

SPARK to kolejny krok Łukasiewicza w kierunku podboju kosmosu. W lipcu 2024 r. rakieta suborbitalna ILR-33 Bursztyn 2K przekroczyła umowną granicę kosmosu (apogeum lotu 101 km), a wcześniej inżynierowie z Łukasiewicz – Instytutu Lotnictwa opracowali m.in. napęd dla nanosatelitów, technologie produkcji paliwa rakietowego oraz miniaturowy komputer pokładowy OBC-K1, który już sprawdził się w warunkach lotów suborbitalnych.

Instytut posiada kompletne zaplecze do projektowania, integracji i testowania niedużych satelitów. Od druku 3D, przez produkcję prototypów, laboratorium kosmiczne, montaż elektroniki, po jedną z największych w tej części Europy komór termiczno-próżniowych (TVAC), w której można symulować ekstremalne warunki panujące w przestrzeni kosmicznej. 

„Ten projekt zbiera wszystkie kompetencje, które rozwijaliśmy przez ostatnie lata” – mówi dr hab. inż. Cezary Szczepański, dyrektor Łukasiewicz – Instytutu Lotnictwa.

SPARK (ISKRA) pomimo iż będzie mniejszy od kuchenki mikrofalowej – jego zwarta konstrukcja (3U) trzy moduły o wymiarach 10×10×30 cm pomieści dwa komputery pokładowe, dwa systemy zasilania (baterie i panele słoneczne), dwie niezależne instalacje komunikacji radiowej, system korekcji toru lotu, czujniki oraz przestrzeń na ładunek użyteczny – eksperymenty badawcze.

„Projekt potrwa 30 miesięcy. Każde urządzenie na pokładzie musi być redundantne” – podkreśla Przemysław Sitnik, lider projektu z Łukasiewicz – Instytutu Lotnictwa. „Na tej platformie będzie można przeprowadzić nawet kilka tysięcy różnych eksperymentów podczas wielu misji. Części z nich jeszcze sobie nawet nie wyobrażamy, ale już teraz projektujemy SPARK-a tak, by dało się z nim integrować szeroką gamę czujników, sensorów czy komponentów jako payload” – dodaje.

„Łukasiewicz – ILOT ma szansę stać się motorem napędowym polskiego sektora kosmicznego – mówił podczas inauguracji projektu prezes Centrum Łukasiewicz, dr Hubert Cichocki. – Posiadamy pełne kompetencje do prowadzenia badań i opracowywania innowacji dla tej dynamicznie rozwijającej się branży”.

Kosmiczny przemysł nabiera tempa

W 2024 roku na orbitę trafiło ponad 2800 satelitów, to dwa razy więcej niż zaledwie cztery lata wcześniej. Branża kosmiczna rozwija się trzykrotnie szybciej niż największe światowe gospodarki, a inwestycje, zarówno publiczne, jak i prywatne, rosną z roku na rok. W samym tylko 2024 roku globalne wydatki na sektor kosmiczny sięgnęły 130 miliardów dolarów. Polska aktywnie dołącza się do tego wyścigu, czego największą ilustracją była misja Sławosza Uznańskiego-Wiśniewskiego na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej.

„Każde 1 euro zainwestowane w sektor kosmiczny przynosi od 3 do 6 euro zwrotu dla gospodarki” – przypomniał minister finansów Andrzej Domański przy okazji misji polskiego astronauty.

Warto też pamiętać, że program Apollo, który w latach 60. i 70. XX wieku wyniósł człowieka na Księżyc, przyniósł światu ponad 1800 wynalazków powszechnie dzisiaj używanych: od rzepów i patelni teflonowych, przez czujniki dymu i folię NRC, po tomografię komputerową. Wówczas USA wydały 25 miliardów dolarów (w przeliczeniu na dziś – ponad 250 miliardów).

Platforma przyszłości

SPARK to odpowiedź na wyzwania współczesnej eksploracji kosmosu: miniaturyzację i elastyczność. Komputer pokładowy bazujący na doświadczeniach z OBC-K1 oraz cała elektronika zostaną zaprojektowane z uwzględnieniem trzech poziomów odporności na promieniowanie kosmiczne: COTS (komponenty komercyjne, powszechnie dostępne na rynku), RAD-tolerant (odporne na umiarkowany poziom promieniowania) oraz RAD-hard (przeznaczone do pracy w warunkach głębokiego kosmosu).

„Dla porównania: standardowy procesor >>COTS<< kosztuje kilkadziesiąt-kilkaset dolarów. Jego odpowiednik w standardzie RAD-hard, przy takiej samej architekturze i mocy obliczeniowej, to już wydatek rzędu dziesiątek tysięcy dolarów” – wyjaśnia Przemysław Sitnik z Łukasiewicz – ILOT.

SPARK będzie gotowy na integrację nowych komponentów w przyszłości – w tym tych najbardziej odpornych na promieniowanie – bez konieczności przebudowy platformy. Dzięki temu może pełnić w przyszłości funkcję satelity, jak i kosmicznej sondy.

W czasie misji testowane będą również autorskie rozwiązania komunikacji radiowej opracowane przez Łukasiewicz-ILOT. Umożliwią one znaczne wydłużenie okna czasowej łączności z satelitą – z kilku do kilkunastu minut – co pozwoli przesyłać większe pakiety danych oraz sterować z Ziemi bardziej złożonymi procesami realizowanymi na platformie.

Projekt wspólny, kompetencje różne

W budowę nanosatelity, poza Łukasiewicz – ILOT, zaangażowane są też inne instytuty Sieci. Łukasiewicz – Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów (PIAP), który brał udział w budowie łazika dla Europejskiej Agencji Kosmicznej, odpowiada za kwalifikację i dobór ładunków do wyniesienia na satelicie oraz eksperymentów do przeprowadzenia. Z kolei Łukasiewicz – Instytut Metali Nieżelaznych (IMN), specjalizujący się w produkcji różnego typu baterii, zapewni funkcjonowanie systemów zasilających.

„SPARK potwierdza kompetencje Sieci Badawczej Łukasiewicz w dziedzinie inżynierii kosmicznej. Pokazuje, że nasze instytuty nie tylko rozwijają technologie, ale też potrafią wdrażać je w formie funkcjonalnych prototypów” – podsumowuje prezes Cichocki.

Wyzwania i szanse

Inżynierowie Łukasiewicza podkreślają, że projekt SPARK obejmuje pełny cykl życia satelity, od fazy koncepcyjnej, przez projektowanie, produkcję, integrację, testy środowiskowe, aż po eksploatację na orbicie i końcową deorbitację. To największe wyzwanie, z jakim się mierzą. 

„Chcemy, by nasze satelity umożliwiły w przyszłości polskim uczelniom, instytucjom i firmom prowadzenie eksperymentów w mikrograwitacji. To szansa na realizację procesów, które na Ziemi są niewykonalne lub niezwykle kosztowne” – deklaruje dyrektor Szczepański.

„SPARK, po wysłaniu na orbitę polskiego astronauty, to kolejny dowód na to, że z impetem wkraczamy do elitarnego grona państw mierzących wyżej” – oświadczył podczas inauguracji projektu minister nauki i szkolnictwa wyższego, Marcin Kalusek.

Nanosatelita zostanie umieszczony na orbicie okołoziemskiej najpóźniej jesienią 2027 r., a już teraz kilka podmiotów zadeklarowało zainteresowanie wykorzystaniem możliwości badawczych oferowanych przez SPARK-a.

Źródło informacji: Łukasiewicz – Instytut Lotnictwa