Őrszemek az égen – az európai Sentinel műholdak
Szenzorok és feladatok
A Sentinel műholdcsalád alkotja az Európai Unió és az Európai Űrügynökség Copernicus programja űrszegmensének gerincét. A műholdcsaládot úgy állították össze, hogy maximálisan megfeleljen a nevével is fémjelzett küldetésnek (sentinel = őrszem): tagjai adatokat gyűjtenek a szárazföldek és tengerek, óceánok állapotáról és jelenségeiről, figyelemmel kísérik a jégtakarók állapotát, és rajta tartják szemüket (szenzoraikat) a légkör összetételén. Fontos jellemzője a programnak, hogy gyakori felvételezéssel sűrű idősorokat biztosít, valamint a legtöbb adathoz szabad hozzáférést nyújt. A felsorolt adottságok teszik lehetővé a változások naprakész nyomon követését, a gyors tájékoztatást, a döntés-előkészítés támogatását vagy a modellezést. A műholdcsalád egyes tagjai párban repülnek, így hatékonyan biztosítható a rövidebb visszatérési idő, és ha esetleg az egyik műhold bármilyen okból kifolyólag (sérülés, kommunikációs problémák) nem tud adatot szolgáltatni, a párjára még mindig számíthatunk. Egyes konstellációkban később további műholdak is pályára állnak majd. Az alábbiakban bemutatjuk a műholdcsalád már működő, valamint a közeljövőben indítandó tagjait.
A Sentinel–1 (A és B) 2014 illetve 2016 óta üzemelő radar műholdpár, amely több különböző módban is tud képalkotó radarfelvételt készíteni – felhőborítottságtól és napszaktól függetlenül. Nagy szerepük van a gleccserek és a tengeri jég monitorozásában, az olajfoltok felderítésében, a hajóforgalom követésében, vagy a földhasználat alakulásának nyomon követésében.
A földfelszín strukturális változásai, valamint a felszínmozgások is nagy pontossággal kimutathatók segítségükkel, így fontos szerep jut számukra a katasztrófahelyzetek (pld. árvizek, földrengések) kezelésében vagy a gleccserek, jégtáblák mozgásának vizsgálatában is. A műholdak közel-poláris, napszinkron pályán keringenek 693 km magasan, így 6 naponta képesek ugyanarról a területről felvételt készíteni. A Sentinel–1 műholdakról és egyes alkalmazási területeikről többek között itt tájékozódhatsz angolul, itt vagy itt pedig magyarul. Képeket itt, videókat pedig itt nézegethetsz.
A Sentinel–2 (A és B) 2015 illetve 2017 óta üzemelő passzív optikai műholdpár, tagjai csak nappal tudnak kiértékelhető képeket készíteni, mivel a felszínről visszavert napsugárzás szenzorba jutott mennyiségét mérik. Ezt a szenzort, az MSI-t (MultiSpectral Instrument) úgy tervezték, hogy az eszköz kiválóan alkalmazható legyen a növényzet, a talaj és növényzettel nem borított felszínek, valamint a vizek állapotának és változásainak nyomon követésére. Mindezt nagyban elősegíti, hogy az MSI a látható tartományok mellett közeli és rövid hullámhosszú infravörös tartományokban is dolgozik.
A műholdpár 785 km magas napszinkron pályán repül, Európáról 5 naponta tud felvételeket készíteni. A Sentinel–2 műholdakról és egyes alkalmazási területeikről többek között itt tájékozódhatsz angolul, itt vagy itt pedig magyarul. Képeket itt, videókat pedig itt nézegethetsz.
A Sentinel–3 (A és B) 2016 illetve 2018 óta üzemelő, 815 km magas, kvázi-poláris napszinkron pályán mozgó, többféle szenzort is hordozó műholdpár, összetett feladatokkal. A szenzorok közül az OLCI (Ocean and Land Colour Instrument) 21 spektrális sávban előálló adatai a tengerek és óceánok színének (algavirágzás, szennyezések), valamint álló- és folyóvizeink állapotának térképezésére, a szárazföldön pedig a növényzet vizsgálatára alkalmasak.
A műhold hordoz még a felszín hőmérsékletét akár 0,3 Kelvin pontossággal mérő radiométert (SLSTR), és egy radaros magasságmérő eszközt (SRAL) is. Ez utóbbi elsődleges feladata a tengerszintre, a hullámok magasságára és annak változására vonatkozó adatgyűjtés, az óceáni áramlatok, örvények, az árapály-jelenségek, valamint a tengerjég vizsgálata, de figyeli a szárazföldi jégállapotot és a felszínközeli szélsebességet is. Negyedik szenzora egy mikrohullámú sugárzásmérő berendezés (MWR), amelynek mérési tartományai egyrészt a légkör vízgőztartalmára, másrészt a felhőzet víztartalmára érzékenyek. A Sentinel–3 szintén párban kering, alkalmazási területeiről angolul itt, magyarul pedig például itt vagy itt tájékozódhatsz. Képeket itt, videókat pedig itt nézegethetsz.
A Sentinel–4, Sentinel–5 és Sentinel–5P (prekurzor) műholdak a levegő minőségét figyelik: többek között légköri gázokra, szennyezőanyagokra, aeroszolokra, valamint felhőzetre vonatkozó adatokat mérnek. A Sentinel–4 szenzort két METEOSAT harmadik generációs műhold (MTG-S) hordozza majd geostacionárius pályán a sajátjai mellett. A Sentinel–5 küldetés szenzorait három, alacsony pályán keringő meteorológiai műholdra (MetOp-SG A) szerelik, mindkét szenzortípus 2021 után szolgáltat majd adatot.
Az adatok segítségével vizsgálható majd a troposzferikus és sztratoszférikus ózon, nitrogén-dioxid, kén-dioxid, szén-dioxid, metán, formaldehid, glioxál és az aeroszolok mennyisége a légkörben. A Sentinel–5P 2017 óta üzemel, troposzféra-monitorozó műszere (TROPOMI) naponta szolgáltat adatokat egyes légköri összetevőkre vonatkozóan, ami a lakosság tájékoztatása szempontjából gyors reagálást tesz lehetővé. A Sentinel–5P műholdról többek között itt tájékozódhatsz angolul, magyarul pedig például itt és itt. Képeket itt, kapcsolódó videókat pedig itt nézegetsz.
Az űrszegmens hatodik tagja a Sentinel–6 műholdpár, melynek első műholdját 2020-ban állították pályára, a másodikat pedig 2025-ben tervezik indítani. Feladata a tengerszint aggasztó emelkedésének figyelése, amihez radar magasságmérővel szerelték fel, de emellett egy mikrohullámú radiométert is hordoz.
A Sentinel–6 segítségével tíznaponta juthatunk adatokhoz szélsebességről, óceáni áramlatokról és hullámmagasságról a biztonságos hajózás, valamint a parti területek védelme érdekében. Munkája fontos, hiszen korábbi tengerszint-figyelő műholdak adataiból levezethető, hogy 1998 és 2018 között évente átlagosan 3,2 mm-rel emelkedett a tengerszint, és ennek mértéke ráadásul az utóbbi években felgyorsult (4,8 mm/év). A műhold működéséről többek között itt találsz érdekes videókat angolul, magyarul pedig például itt és itt tájékozódhatsz.
A Sentinel műholdakhoz kapcsolódóan fontos megemlítenünk az EUMETSAT kormányközi szervezetet, melynek feladata, hogy az időjárással és az éghajlattal kapcsolatos műholdas adatokat, műholdképeket és termékeket – napi 24 órában, az év 365 napján – továbbítsák az EU tagállamainak nemzeti meteorológiai szolgálataihoz, és más felhasználókhoz világszerte. Az EUMETSAT felelős a Sentinel–3 műholdak üzemeltetésért, valamint szolgáltatja a Sentinel–4, –5 és –6 műholdak adatait a meteorológiai szolgálatok felé.
A Sentinel műholdak adatai legegyszerűbben a Sentinel Open Access Hub weboldalon kereshetők és tölthetők le. Az adatok feldolgozását különböző eszköztárak (például a Sentinel Toolbox) segítik, amelyek szintén szabadon elérhetők.
Magyarország az ESA teljes jogú tagjaként részt vállal az európai földmegfigyelési program tervezésében és megvalósításában is. A Sentinel műholdcsalád tagjaiban a magyar űripari cégek sikeres közreműködése nyomán hazai fejlesztésű és gyártású alkatrészek, részegységek is helyet kaptak. Ezen kívül számos hazai kutatóműhely és szervezet foglalkozik űrfelvételek és egyéb távérzékelt felvételek feldolgozásával, elemzésével, értelmezésével, így az ezekből származó eredmények hazai felhasználása is egyre jelentősebb.
Lechner Tudásközpont Űrtávérzékelési Osztály
Magyar részvétel a Sentinel műholdak készítésében
A Sentinel–2 fővállalkozója 2007-ben az EADS/Astrium óriáscég lett (azóta a cég neve változott, az új név: Airbus). A tervezési és műszaki-fejlesztési folyamatok hosszú időt vettek igénybe. A koncepció kidolgozása és a rendszerszintű tervek elkészítése után, 2009-ben kerülhetett sor az alrendszerek tervezésére, a tendereztetésre és a kivitelező konzorcium kiválasztására.
A miskolci Admatis Kft. alapítása óta (2000) az űriparban dolgozik. Az Európai Unió műholdépítési tervei megnyitották a cég előtt az utat. 2009 márciusában pályázott, és elnyerte az ESA/Astrium nemzetközi tenderét, amely a Sentinel–2 Multi-Spectral Instrument (MSI) termikus és szerkezeti alrendszeréhez tartozó 70 alkatrész tervezési, gyártási és tesztelési feladatainak az ellátásáról szólt – mindezt két műholdra. A feladat teljesítését akkor egy évre tervezték, ez a valóságban négy évre húzódott el. A tesztelés 2013 márciusában fejeződött be. A műholdak indítására ezt követően, 2015. június 23-án és 2017. március 7-én került sor.
Az Admatis Kft. által készített alkatrészek között voltak fényzárók, terelők, kalibráló betétek, szerkezeti elemek, kábeltemperáló elemek. A legnagyobb feladatcsomag azonban a külső környezettel aktív termikus kapcsolatban álló radiátorok (VNIR FEEM, illetve SWIR FEEM) tervezése és gyártása volt. A radiátorfelületnek olyan hőleadó és hőfelvevő képességűnek kellett lennie, hogy az optikai fókuszban lévő detektorfelület hőmérséklete állandó maradjon. Az esetleges hőmérséklet-ingadozás rontja a jel/zaj viszonyszámot (azaz a kép minőségét), ezért közvetlen kapcsolatban áll a műhold alapvető minőségi mutatóival. Egy másik feladat az elektronika által fejlesztett hő olyan mértékű elszállítása volt, hogy az üzemi hőmérséklet ne változzon.
A termomechanikus követelmények csúcsát az a feladat jelentette, hogy a hőmérséklet-változás okozta dilatáció a lehető legkisebb deformációt okozza a szerkezetben, mert az optikai defókuszt idéz elő, más szóval a kép életlenségéhez vezet, illetve inhomogenitásával jár. Az egyes alkatrészek közötti interfészeken ezért precíz illesztéseket és erősen limitált termofeszültségeket írtak elő. Egy alkatrész 3D mérőkarral végzett méretellenőrzését mutatja a következő ábra.
Az MSI tartós működtetésének alapfeltétele az, hogy az alkatrészek mentesek legyenek a portól és a szerves szennyeződésektől, kipárolgásuk pedig minimális legyen. Az űrben uralkodó vákuum hatására ugyanis a szennyeződések és a kibocsátott gáz ellebeg a felülettől, majd lerakódik a hideg felületekre – köztük a teleszkóp tükreire és a detektorokra. Ez fokozatosan rontja a képek minőségét és rövidíti a szolgáltatások élettartamát. Emiatt a kipárolgásra hajlamos anyagoknak – például festékeknek, ragasztóknak és szegecseknek – tisztasági és vákuumteszteken kell átesniük. A szerelési műveleteket és a csomagolást ún. tisztaszobában kell végezni.
A műhold hosszú távú, folyamatos, hibátlan működéséhez ismerni kell valamennyi anyag és alkatrész speciális tulajdonságait. Döntő jelentőségű, hogyan viselik el a ciklikusan ismétlődő, –40 °C és +80 °C közötti hőmérséklet-változásokat vákuumban deformáció nélkül az egyes alkatrészek és az összeszerelt komplex szerkezet.
Mivel az alkatrészek felülete hol a földi atmoszférával, hol pedig az űrkörnyezettel érintkezik, valamennyi fém alkatrész speciális felületkezelést kap. A felületkezelési eljárások kifejlesztését az ESA finanszírozza és kvalifikálja. Az Admatis Kft. három év fejlesztőmunkával jutott el arra a szintre, hogy ma már valamennyi strukturális alumíniumötvözethez rendelkezik űrkvalifikált felületkezelési eljárással.
A Miskolcon elkészült alkatrészeket az Airbus toulouse-i gyárában építették be a fedélzeti egységbe.
A szükséges próbák után került sor a platform és a fedélzeti egység összeépítésére, a felbocsátás helyszínére (Kourou) szállításra, majd a Vega rakétával a pályára állításra. Néhány nappal ezt követően a műhold megkezdte tervszerű működését.
A küldetés sikerült, a Sentinel–2 a kitűzött célokat elérte. Azóta a Sentinel–2 műholdak folyamatosan dolgoznak, és minden európai állampolgár ingyenesen hozzájuthat bármelyik felvételükhöz.
A Sentinel–2A és –2B után folytatódott a munka a –2C és –2D példányokkal. Ezek a munkák az Admatis Kft. részéről 2017 őszére sikeresen befejeződtek. Az újabb Sentinel–2 műholdak startjára 2021-ben kerülhet sor. Ekkor áll be az az állapot, hogy négy műhold kering majd ugyanazon a pályán, 90-90 fokos követési szögekkel, és így egy-egy földi célpont felett kétnaponként halad majd át a Sentinel–2 flotta valamelyik műholdja.
Bárczy Pál, Bárczy Tamás, Szőke János
A képekhez tartozó linkek:
- https://www.esa.int/ESA_Multimedia/Images/2014/02/Sentinel-12
- https://earth.esa.int/web/eoportal/satellite-missions/c-missions/copernicus-sentinel-2
- https://www.esa.int/ESA_Multimedia/Images/2018/01/Sentinel-3_poster
- https://sentinel.esa.int/documents/247904/2363741/fig-1.jpg https://www.esa.int/var/esa/storage/images/esa_multimedia/images/2017/06/sentinel-5p/17040704-2-eng-GB/Sentinel-5P_pillars.jpg
https://www.esa.int/var/esa/storage/images/esa_multimedia/images/2017/02/sentinel-5/16829208-1-eng-GB/Sentinel-5_pillars.jpg - https://www.esa.int/ESA_Multimedia/Images/2020/11/Ice_lost_from_ice_sheets_contributes_to_sea-level_rise#.YPb1ZSZIaxY.link
