forskningsingeniøren bloghoved

Er små og billige CubeSats fremtiden i rummet?

Af 6

SmallSats

Konventionelle satellitter er store og tunge, tager lang tid at udvikle og bygge og koster ofte i hundredvis af millioner af amerikanske dollars, før de endelig kan sendes i kredsløb og levere målinger og data eller tjenester for dem, som har gjort den astronomiske investering.

Af disse grunde har det ikke, historisk set, været allemandseje at bygge rumfartøjer og at sende dem i kredsløb.

I de senere år er der imidlertid opstået en interesse for små satellitter, som bredt set kaldes SmallSats. Ifølge Wikipedia vejer en SmallSat typisk mindre end 500 kg, mens NASA omtaler SmallSats som satellitter, der vejer mindre end 180 kg, og som ikke er større end et (stort) køleskab.

Uanset den præcise definition er der tale om, konventionelt set, små og lette satellitter.

CubeSats

En særlig klasse af SmallSats er de såkaldte CubeSats, der udgøres af én eller flere enheder, der er 10 cm x 10 cm x 10 cm i volumen. Udgøres en CubeSat af én af disse enheder, taler om en 1 unit - forkortet til 1U - CubeSat, og er der f.eks. tre enheder (30 cm x 10 cm x 10 cm), er det en 3U CubeSat.

Næsten uanset hvad man fylder ind i et så relativt lille volumen, bliver vægten ikke særlig stor - hvilket i sagens natur gør det mindre krævende at opsende en CubeSat end en konventionel satellit.

Der har i de seneste år været en generelt voksende interesse for CubeSats, men mens interessen indtil for år siden nærmest udelukkende var akademisk, er de fleste CubeSat-projekter og -missioner nu kommercielle.

Illustration: Privatfoto

Kilde: "For Satellites, Think Small, Dream Big: A review of recent antenna developments for CubeSats"

Lille satellit = Lille antenne

En naturlig konsekvens af at CubeSats er relativt små, er at de antenner, der kan monteres på den lille satellit - og som er en absolut nødvendig og uundværlig del af ethvert rumfartøj, uanset om det er stort eller lille - også er begrænsede i størrelse.

På traditionelle satellitter benyttes store reflektorantenner, som der bliver stadig flere af på hver (traditionel) satellit.

Disse antenner giver i kraft af deres store størrelse meget direktive signaler, således at man f.eks. meget præcist kan sende signaler til bestemte steder på jorden.

På en CubeSat er der ikke særlig meget plads, og der er derfor helt sikkert ikke plads til en stor reflektorantenne.

En løsning kunne her være at benytte en udfoldelig reflektorantenne. Dvs. lave en antenne, som kan pakkes væk i en enkelt eller nogle få CubeSat-enheder, og som så kan slås ud, når CubeSat er i kredsløb.

Dette var netop, hvad NASAs Jet Propulsion Laboratory gjorde for et par år siden.

Reflektorantenner er dog kun én blandt mange typer af antenner. Afhængig af hvad den givne CubeSat skal bruges til, kan mere eller mindre komplicerede antennetyper anvendes.

BeamWatch

Jeg var i sidste uge sammen med tre kolleger fra TICRA i Aalborg, hvor vi besøgte virksomheden GomSpace for at starte vores fælles projekt BeamWatch, der er støttet af Innovationsfonden.

Målet med projektet er at udvikle en CubeSat, der fra en position i lavt jordkredsløb (Low Earth Orbit = LEO på engelsk) kan måle signalerne fra (store) geostationære satellitter.

Denne teknologi kunne f.eks. have interesse for satellitejerne, så de oftere kan tjekke, at satellitten fungerer, som den skal. Ligeledes vil myndigheder, der fører kontrol med, at givne satellitter kun sender signaler derhen, hvor de må, samt forsikringsselskaber kunne bruge den nye teknologi til at holde bedre øje med satellitter i kredsløb om jorden.

Spørgsmålet om antenner og hvilken type af antenne, som vores CubeSat skal benytte, når vi snart til. Der er som nævnt ikke meget plads på en CubeSat, så der vil helt sikkert blive behov for at være kreativ.

Noget i gærde?

Konventionelle satellitter bliver nok ikke lige med det samme erstattet af CubeSats.

Men med tilgængeligheden af den relevante teknologi og stor interesse, både blandt firmaer, forskere og hobbyfolk, er der formentlig noget i gærde for fremtidige rummissioner og -fartøjer.

Se videoen "Crazy Engineering: CubeSats" herunder

Dette indhold kan kun vises hvis funktionelle cookies er accepteret.
Klik for at opdatere samtykke

Forskningsingeniøren
Jakob Rosenkrantz de Lasson er civilingeniør og ph.d. i nanofotonik fra DTU. Jakob bloggede fra 2012-2022 om forskning, fotonik og rumteknologi.
Mest læste
1

Se video: Her rammer russisk jagerfly amerikansk Reaper-drone

Plus.
56 Kommentarer
2

Fagfolk langer ud efter byggestyring: Danmark kører store offentlige projekter amatøragtigt

Plus.
10 Kommentarer
3

Byggesjusk i detaljer: Utætte fugtspærrer, sjaskvåd isolering og manglende fuger

Plus.
9 Kommentarer
Forsiden lige nu

Dansk droneteknologi udstyrer brandmænd med øjne i luften

Udvidelsen af Aarhus Havn kaldes CO2-neutral: 'Som at sammenligne æbler og pærer'

Raketbyggere tester faldskærme med udspringere af kød og blod

Bagsiden: Fra det gamle postkontor

1916: Danmarks første motorfyrskib kan bjærge sig selv i hårdt vejr

Norge benytter byggestyringsmodel, vi kan lære af: Værktøjet til sparede milliarder

Værd at Vide: Superledning ved stuetemperatur – måske, lad os se

Russiske forskere smides på porten: Boykot trækker tråde til Første Verdenskrig

Flere nyheder
andre skriver| også værd at læse
via E&T 20. mar 2023 08:44
Atomkraft til månen
via DTU 17. mar 2023 11:32
Tommy Ahlers udnævnes til adjungeret professor på DTU
via Renew Europe 17. mar 2023 10:47 50
Blæsevejr giver ny rekord til Europas vindenergi
via Magasinet KBH 17. mar 2023 10:32 1
Busterminal bliver 18 mio dyrere og et år forsinket
via VG 16. mar 2023 11:06 39
Den norske regering afviser strømkabel mellem Norge og Skotland
via Spaceflight Now 16. mar 2023 10:45
Axiom løfter sløret for nye rumdragter til månelanding
Se hele overblikket >
sortSortér kommentarer
  • Ældste først
  • Nyeste først
  • Bedste først

Hej Jacob,

Interessant indlæg! Med antennestørrelsen kan man jo klassificere en CubeSats elektromagnetiske arbejdsområde, og det kan faktisk blive ret stort. En jo-jo kan måske rulle 1000 m ud, det er der ihvertfald nogle tetherudviklere der vil påstå :-) Med en 1000 m kvartbølge pisk antenne kan man altså lede efter frekvenser fra ca 70 kHz og opad. Dipolen kan laves af "målebånd" og foldes rundt om satellitkroppen. En 3U satellit har således plads til ca 0,7 m dipol arme, hvilket vil sige man kan lede fra ca 100 MHz. Patchantennerne er særdeles velegnede til CubeSats fordi de ikke kræver udfoldelses eller frigørelsesmekanismer. De rækker op i GHz. Fra 70kHz til GHz, det er da ikke så ringe.

  • 3
  • 0

Konventionelle satellitter bliver nok ikke lige med det samme erstattet af CubeSats.

Regnestykket er vel ret enkelt, indtil videre. Cubesats er nogle små gnallinger, der som oftest ikke har specielt meget værn mod ioniserende stråling. Med kommercielle mikroprocessorer og flashhukommelse kan man måske forvente en livstid op mod de 6 mdr inden din CPU begynder at resette i tide og utide, og din flashhukommelse får så mange fejl at din EDAC ikke kan korrigere det mere.

En anden ting er naturligvis linkbudgettet, hvor visse scenarier kræver en moppedreng af et RF-forstærkertrin, nogle kodningsformer kræver en stor FPGA med DSP slices, hvilket naturligvis altsammen driver kravene til solpaneler og batteristørrelse, hvor 3U lige pludselig bliver lidt trangt.

Så nej, det er slet ikke alle scenarier en cubesat p.t. kan supportere. Men dens betydning er naturligvis stor, når det gælder f.eks. uddannelse og forskning, hvor alle lige pludselig kan være med.

  • 0
  • 1

Hej Jakob,

Interessant indlæg! Med antennestørrelsen kan man jo klassificere en CubeSats elektromagnetiske arbejdsområde, og det kan faktisk blive ret stort. En jo-jo kan måske rulle 1000 m ud, det er der ihvertfald nogle tetherudviklere der vil påstå :-) Med en 1000 m kvartbølge pisk antenne kan man altså lede efter frekvenser fra ca 70 kHz og opad. Dipolen kan laves af "målebånd" og foldes rundt om satellitkroppen. En 3U satellit har således plads til ca 0,7 m dipol arme, hvilket vil sige man kan lede fra ca 100 MHz. Patchantennerne er særdeles velegnede til CubeSats fordi de ikke kræver udfoldelses eller frigørelsesmekanismer. De rækker op i GHz. Fra 70kHz til GHz, det er da ikke så ringe.

Hej René,

Tak for dit interessante feedback - og beklager det langsomme svar herfra, der gik sommerferie i den.

Du har ret, det er slet ikke så ringe, hvor bredt man kan dække med antenner til CubeSats. Det centrale spørgsmål er dog selvfølgelig, hvilke(n) del(e) af spektret man har behov for at dække. Og hvor meget antenne gain der ved de relevante frekvenser er brug for.

Dette er nogle af de spørgsmål, vi i BeamWatch kigger på. Jeg vender tilbage, når der er nyt.

  • 1
  • 0

Regnestykket er vel ret enkelt, indtil videre. Cubesats er nogle små gnallinger, der som oftest ikke har specielt meget værn mod ioniserende stråling. Med kommercielle mikroprocessorer og flashhukommelse kan man måske forvente en livstid op mod de 6 mdr inden din CPU begynder at resette i tide og utide, og din flashhukommelse får så mange fejl at din EDAC ikke kan korrigere det mere.

En anden ting er naturligvis linkbudgettet, hvor visse scenarier kræver en moppedreng af et RF-forstærkertrin, nogle kodningsformer kræver en stor FPGA med DSP slices, hvilket naturligvis altsammen driver kravene til solpaneler og batteristørrelse, hvor 3U lige pludselig bliver lidt trangt.

Så nej, det er slet ikke alle scenarier en cubesat p.t. kan supportere. Men dens betydning er naturligvis stor, når det gælder f.eks. uddannelse og forskning, hvor alle lige pludselig kan være med.

Min meget banale forståelse af interessen for CubeSats - udover, som du nævner, til brug i uddannelse og forskning - er, at fordi de er små og billige, er det ambitionen at sende mange af dem op for at kunne levere, hvad vi i dag bruger én stor satellit til. Levetiden for og mulighederne med én CubeSat er begrænsede, men fordi det er langt billigere at fremstille og opsende dem, er det ikke et problem at skulle bruge flere af dem.

Som du er inde på, skal den enkelte CubeSat naturligvis have et vist minimum af levetid og modstandsdygtighed, før dette scenarie er interessant. Men den første figur i blogindlægget dokumenterer en stor vækst i kommercielle CubeSats, så det kan ikke stå helt skidt til på denne front.

  • 2
  • 0

Når jeg nu lige kom forbi... Som jeg rapporterede fra IAA's 4th IAA Conference on University Satellite Missions and CubeSat Workshop, så har UWE-3's OBC kørt 4 år non-stop. De bruger dobbelt processor hot-swapable. Der er løsninger på den slags udfordringer. Jakob har ret det står ikke helt skidt til. Planet har 150-170 CubeSats i kredsløb, OneWeb planlægger 648 stk, endda i 1200 km - altså igennem Van Allen bæltet.

  • 2
  • 0

Og det glæder jeg mig til at høre om :-) Vi skal længere ud - og så bliver link budgettet én af de større udfordringer - men det må vi jo så løse.

  • 2
  • 0
Bidrag med din viden – log ind og deltag i debatten