Füttyök és a SAS-ok

Obsztanovka – A Föld körüli űr megismerése

Nagy János, Lichtenberger János, Steinbach Péter, Vizi Pál, Kalocsai Lilla

A földközeli világűr vizsgálata segít minket abban, hogy jobban megértsük a mindennapi életünket is komolyan befolyásoló naprendszerbeli folyamatokat, melyek hatásai érintik többek között a távközlést, az időjárás-előrejelzést és a légi közlekedést. A Föld környezetének folyamatos megfigyelésével képesek lehetünk a földi űridőjárás előrejelzésére és a napkitörések okozta katasztrófák megelőzésre [1].

Az Obsztanovka (’környezet’) kísérlet műszeregyüttese a Nemzetközi Űrállomás (International Space Station, ISS) orosz szegmensének fedélzetéről vizsgálta a földi űridőjárást 2013-tól 2015-ig. A kísérlethez kilenc kutató- és mérnökcsoport csatlakozott különböző országokból, akik összesen 11 műszerrel tanulmányozták, hogy hogyan befolyásolja a Nap a Föld magnetoszféráját és ionoszféráját. Az Obsztanovka fedélzeti adatgyűjtő berendezésének szoftvere és hardvere magyar mérnökök munkájaként készült el, segítségükkel mind a műszer érzékelőinek, mind az adatgyűjtésnek a vezérlése automata módon, földi irányítással valósulhatott meg.

A rendszer tervezése és kivitelezése

A mérési célok kiválasztása, a kísérleti eszközök tervezése, megépítése és tesztelése több évet vett igénybe. A műszerek tervezése 2003 márciusában kezdődött, két mérnökünk dolgozott a hardveren, négy pedig a kísérlet szoftverén. Az érzékelők, a fedélzeti elektronikus interfészek és a tápegység tervezése során is különleges követelményeket kellett figyelembe vennünk a feljuttatás és a világűrben való tartózkodás során tapasztalható extrém hőmérsékleti, nyomás-, rázkódás- és sugárzási viszonyok miatt. A választott ipari minősítésű alkatrészeket így csakis szigorú hőmérsékleti és mechanikai tesztelés után lehetett felhasználni. Nem utolsósorban a műszer építésénél súly-, méret-, energiafelhasználási és költségkorlátoknak is meg kellett felelnünk. A kivitelezés után a rendszert földi ellenőrző berendezés segítségével teszteltük, mielőtt a műszer a Nemzetközi Űrállomás fedélzetére kerülhetett volna. Az Obsztanovka berendezéseit végül egy Progressz teherűrhajó szállította az ISS-re 2013 februárjában, ahol a rendszer két évig folyamatosan működött, amíg az egyik külső alkatrész váratlanul le nem állt egy hatalmas napkitörés következményeképpen.

Hardver és szoftver

Az Obsztanovka rendszer három számítógépből állt. A két DACU (Data Acquisition and Control Unit) adatgyűjtő és vezérlőegységet az űrhajósok az űrállomás külső falára szerelték fel, az egyik DACU egység az Obsztanovka 11 műszere közül hatot vezérelt, a másik pedig a maradék ötöt. A harmadik számítógép, a BSTM (Block Storage of Telemetry Information Unit), a telemetriai információk tárolóegysége volt, amely az ISS belsejéből biztosította a kapcsolatot a távközlési és adatgyűjtő berendezésekkel.

Érdekesség, hogy az oroszországi láthatósági feltételek hiányában, valamint a távközlési csatorna korlátozott átviteli képessége miatt a mérési adatoknak csupán 10%-át lehetett távközléssel leküldeni kiértékelésre, a fennmaradó nagy mennyiségű adatot egyenként 200 GByte-os, eltávolítható merevlemezeken űrhajósok szállították vissza a Földre félévente.

Eredmények

Az Obsztanovka mérései több fontos új eredményt tartogattak. Meglepetést okozott a felismerés, hogy a földi elektromos hálózatok által keltett 50 és 60 Hz-es jelek megjelennek a Föld körüli pályán mért elektromos és mágneses terekben is. Kiderült továbbá az is, hogy átlagosan 0–25 V feszültség érzékelhető az űrállomás és annak plazmakörnyezete között, napfogyatkozások és geomágneses viharok során pedig élesen változik ez az érték [2]. Továbbá az Obsztanovka felfedezett a Föld különböző pontjai felett néhány különösen erős, gyorsan változó mágneses anomáliát is, melyek eredete egyelőre még nem ismert. Az Obsztanovka kísérlet része volt a magyar SAS–3 fedélzeti hullámkísérleti egység, amely a földi plazmakörnyezetben terjedő, űreszközön megfigyelhető elektromágneses jelenségeket vizsgálta. A mágneses és elektromos tér jellemzően alacsony frekvenciás változásai a Nap-eredetű, Földet ért hatásokat, illetve a földi környezet sokrétű elektromos jelenségeit tükrözik, a plazmakörnyezetünkről hordoznak értékes információt. A vizsgált jelenségek között kitüntetettek az ún. whistlerek, azaz légköri villámlások által keltett, széles sávú elektromágneses impulzusok, amelyek behatolnak a földi ionoszférába és magnetoszférába, ahol nagy, akár több földsugár távolságban is észlelhetők.

Vizsgálatukkal az általuk bejárt tértartományról, a földközeli világűrről, az ottani fizikai folyamatokról kaphatunk fontos információkat. Az ábrán egy a mérési adatokból származó spektrogram (a széles sávú jel frekvencia–idő diagramja) látható, rajta egy whistlersorozat nyomával, időben változó frekvenciájú, elnyúlt sávokkal. A whistlereken itt egy tipikus űridőjárási esemény nyomai is kirajzolódnak: a jelek magas frekvenciájú részénél lévő „horgok” természetes emissziók, amelyeket a magnetoszféra ún. sugárzási öveiben csapdába esett nagyenergiájú töltött részecskék és a whistlerhullámok kölcsönhatása kelt. E hullámjelenségekről bővebb információ a következő honlapon található: sas2.elte.hu.

Rövidítések és jelentéseik:

• ISS: International Space Station – Nemzetközi Űrállomás
• DACU: Data Acquisition and Control Units – adatgyűjtő és vezérlő egység
• BSTM: Block Storage of Telemetry Information Unit – a telemetria-információ blokktárolója

Hivatkozások:

[1] János Nagy, Kálmán Balajthy, Sándor Szalai, Bálint Sódor, István Horváth, Csaba Lipusz: Obstanovka: Exploring Nearby Space, IEEE 2016 08&09 p101-105

[2] B. Kirov et al.: Langmuir Probe Measurements aboard the International Space Station. Proc. 2015 Solar and Solar-Terrestrial Physics Conf. 2015.