Chipy smartfona umieszczone na orbicie w celu monitorowania pogody w kosmosie

„Na pokładzie RadCube lecieliśmy parą trójosiowych czujników wykorzystujących chipy magnetorezystywne, jeden w korpusie nanosatelity, a drugi na końcu 80-centymetrowego wysięgnika opracowanego przez astrona w Polsce, co pozwala na uniknięcie wszelkich zakłóceń magnetycznych z samego RadCube”, wyjaśnia Jonathan Eastwood z Imperial College w Londynie w Zjednoczonym Królestwie.

„Znane jako MAGIC, czujniki te są o rząd wielkości mniejsze niż tradycyjne magnetometry naukowe, które nasz zespół produkuje na misje planetarne ESA, takie jak Solar Orbiter i misja Juice do Jowisza, ale nadal udowodniły, że są w stanie osiągnąć określoną wydajność. ESA. standardy monitorowania pogody kosmicznej. Zewnętrzny czujnik działał przez pierwsze sześć miesięcy życia na orbicie RadCube, podczas gdy czujnik wewnętrzny nadal zwraca dane do dnia dzisiejszego”.

Gotowe do użycia w kosmosie chipy magnetyczne

Chipy magnetorezystywne to małe obwody półprzewodnikowe, które są masowo produkowane na rynek naziemny, których opór elektryczny zależy od lokalnego pola magnetycznego. Są one powszechne w smartfonach, na przykład używane do identyfikowania północy magnetycznej, aby pomóc telefonowi skorygować jego orientację, oraz w głowicach dysków twardych, z których odczytują magnetycznie zapisaną pamięć komputera.

Doktor. Eastwood dodaje: „Klasyczne przyrządy magnetyczne typu „fluxgate”, które produkujemy na potrzeby misji ESA na dużą skalę, to pierścienie z owiniętego drutem materiału czułego magnetycznie, z natury analogowego, ale zdolnego do doskonałych pomiarów magnetycznych. Jednak magnetometry te ustaliły minimalne poziomy rozmiaru, masy i mocy, a skrzynka elektroniki, która nimi steruje, jest prawie tak duża, jak cały nanosatelita RadCube.

„Z drugiej strony czujnik MAGIC jest oparty na chipach magnetooporowych, które po prostu kupujemy bez recepty, a następnie zwiększamy ich wydajność w kosmos. To, co zrobiliśmy, to zbadanie próbek, aby upewnić się, że wybraliśmy najlepsze chipy do czujnika, jednocześnie projektując na zamówienie elektronikę sterującą, aby zmaksymalizować jego wydajność operacyjną. W rezultacie powstał miniaturowy, tani czujnik, który może latać na wielu różnych platformach, takich jak mała konstelacja satelitów monitorujących pogodę kosmiczną lub mini-lądowniki na planetach lub asteroidach.

demo na orbicie

„Ostatnim krokiem było faktyczne przetestowanie wydajności MAGIC w kosmosie, co było możliwe dzięki elementowi „Fly” programu General Support Technology Program ESA, obsługującego szeroką gamę małych satelitów i CubeSatów, aby dać europejskiemu sektorowi kosmicznemu wiele możliwości demonstracja na orbicie nowej technologii kosmicznej”.

CubeSaty to satelity zmontowane ze standardowych 10 cm pudełek. RadCube to „3-jednostkowy” CubeSat, wystrzelony w sierpniu 2021 r. na wyrzutni ESA Vega. ESA, której zadaniem było zademonstrowanie zminiaturyzowanych ładunków do monitorowania pogody kosmicznej, kierowała ESA, C3S na Węgrzech, który dostarczył również swoją nową platformę CubeSat, wraz z Centrum Badań Energetycznych wnosząc swój kontroler ładunku i teleskop radiacyjny. Zespół ESA wniósł najnowszy produkt z rodziny ładunków Chimera, testując w kosmosie komponenty komputerów komercyjnych.

Dr Eastwood zauważa: „Zdaliśmy sobie sprawę, że MAGIC dobrze pasuje do misji RadCube, a Agencja kosmiczna w Wielkiej Brytanii zgodził się na finansowanie nas za pośrednictwem GSTP. Energetyczne cząstki, które reszta ładunku RadCube mierzy spiralnie wokół i wzdłuż linii pola magnetycznego Ziemi, aż do orbity CubeSata, więc pomiary pola magnetycznego umieszcza te pomiary promieniowania w kontekście, dając ogólny obraz znacznie lepszy niż to, co się dzieje. ”

Testy bezpieczeństwa kosmicznego

Program Bezpieczeństwa Kosmicznego ESA przewodzi w rozwoju operacyjnego monitorowania pogody kosmicznej, ponieważ zakłócenia wywołane wiatrem słonecznym w polu magnetycznym Ziemi mogą mieć różnorodny wpływ na Ziemię i infrastrukturę kosmiczną, w tym na orbitujące satelity oraz linie komunikacyjne i energetyczne w ziemi . W 1989 r. w kanadyjskiej prowincji Quebec notorycznie trwała przedłużona przerwa w dostawie energii elektrycznej po tym, jak elementy jej sieci elektrycznej zostały dotknięte przez prądy indukowane.

„Wzięliśmy standard ESA dotyczący obserwacji pogody kosmicznej i wykorzystaliśmy go do określenia naszych wymagań operacyjnych, a dobrą wiadomością jest to, że firma MAGIC je spełniła” – komentuje dr. Eastwooda. „Mieliśmy również możliwość porównania danych MAGIC z jednym z naszych tradycyjnych magnetometrów strumieniowych, gdy Solar Orbiter ESA powrócił w okolice Ziemi podczas przelotu, pomagając mu w drodze do wnętrza Układu Słonecznego.

„Porównaliśmy również satelity Swarm do pomiaru pola magnetycznego ESA i przyjrzeliśmy się, w jaki sposób czujniki magnetorezystancyjne w przyszłości mogą zostać wykorzystane do rozszerzenia zakresu pomiarów Swarm”.

ekstrema orbitalne

Zewnętrzny czujnik przestał działać na początku tego roku, prawdopodobnie ze względu na duże ekstremalne temperatury, które wystąpiły pod koniec boomu na niskiej orbicie polarnej RadCube, ze zmianami z dnia na noc co 90 minut, z cyklami termicznymi do 100°C . Wiedza o niepowodzeniach kieruje projektowaniem przyszłych iteracji MAGIC. Wewnętrzny czujnik pozostaje sprawny, chociaż jego pomiary są zdominowane przez własne środowisko magnetyczne RadCube, gdy działają sztuczne źródła pola magnetycznego, takie jak koła reakcyjne systemu kontroli położenia.

„Jesteśmy coraz bardziej pewni, że czujnik wewnętrzny może w znaczący sposób mierzyć zewnętrzne zdarzenia geomagnetyczne” – dodaje dr. Eastwooda. „Działania RadCube zostały przystosowane do sterowania satelitą w możliwie najcichszym magnetycznie stanie, gdy magnetometr jest obsługiwany w celu zminimalizowania szumów. Możliwe jest również zastosowanie uczenia maszynowego w celu oczyszczenia danych w celu uzyskania zewnętrznych wariacji, które są bardziej zainteresowany.”

Roger Walker, nadzorujący technologię CubeSats ESA, dodaje: „To prawdziwa zaleta demonstracji na orbicie na pokładzie stosunkowo szybkich i niedrogich misji z wykorzystaniem platform CubeSat, w których naukowcy eksperymentują z nowymi technologiami, zanim będą mogły zostać wykorzystane operacyjnie na dużej głównej misji, gdzie ryzyko jest utrzymywane na jak najniższym poziomie”.

Eksploracja Księżyca Magnetycznego

Teraz, gdy MAGIC został udowodniony na niskiej orbicie okołoziemskiej, ten sam czujnik zostanie skierowany w przestrzeń okołoksiężycową w ramach Europejskiego Systemu Czujników Promieniowania (European Radiation Sensors Array). Kosmiczna stacja pogodowa obsługiwana przez ESA do stacji Gateway na orbicie księżycowej.

Jonathan Eastwood wyjaśnia: „Sama brama będzie słyszalnym magnetycznie środowiskiem, ale powinniśmy być w stanie wykryć słabszą sygnaturę magnetyczną wiatru słonecznego i głęboki „ogon magnetyczny” ziemskiego pola magnetycznego, przez który stacja przejdzie raz za jakiś czas. miesiąc, pomagając ocenić bezpieczeństwo środowiska orbitalnego dla jego ludzkich załóg.”

Ogólny program technologii wsparcia

Opcjonalny GSTP ESA współpracuje z europejskim przemysłem, aby wprowadzić nowe technologie do etapu, w którym są one gotowe do wejścia w przestrzeń kosmiczną i otwarty rynek. Na Radzie Ministrów ESA w listopadzie CM22Agencja zaproponuje rozszerzenie GSTP w celu wsparcia europejskiej konkurencyjności i autonomii.