Studenter varsler romvær med egen satellitt

Når nordlyset herjer, mister flyene over Nordkalotten radioforbindelsen. Studenter ved Universitetet i Oslo bygger nå en satellitt for å varsle romvær. En av dem har laget et apparat som måler elektrontettheten to tusen ganger raskere enn det NASA har klart. Satellitten blir skutt opp i 2011.

TEKNOMEKKA: I venstrehånden holder stipendiat Knut Stanley Jacobsen det avanserte måleinstrumentet han har laget, som skal måle elektrontettheten i plasmaskyene rundt Jorden. I høyrehånden holder han skallet på satellitten. Signalene fra satellitten skal fanges opp på taket av Fysikkbygningen. Foto: Yngve Vogt og Dreamstime. Sammenkopiering: Hanne Utigard.

Universitetet i Oslo skal de neste årene, ifølge instituttleder Eivind Osnes ved Fysisk institutt, bruke drøye tjue millioner kroner på å skyte opp en studentsatellitt for å varsle romvær.

Varsling av romvær er viktig. Nordlys fører til krøll for flytrafikken over Nordkalotten. Flyene i nordområdene må ty til høyfrekvent radiokommunikasjon. Disse radiosignalene blir sendt via ionosfæren, som ligger 80 til 500 kilometer over bakken. Ionosfæren består av et gasslag med elektroniske partikler.

Når nordlyset herjer, blir det så mye turbulens i de elektroniske skyene i ionosfæren, at radiosignalene reflekteres feil. Da kan flyene i polarområdene miste radioforbindelsen over lengre tid. Nordlyset, som er forårsaket av solstormer, fører også til store problemer for GPSnavigasjonen.

For å få en nærmere forståelse av problemet sendte professor Jøran Moen på Fysisk institutt ved Universitetet i Oslo opp en rakett i begynnelsen av desember 2008. Raketten freste gjennom nordlyset i 350 kilometers høyde før den stupte i Barentshavet.

Raketten var proppet med avanserte instrumenter, som i løpet av noen minutter målte finstrukturene i elektronskyene og de elektriske feltene og bølgene i nordlys.

Ett års levetid

Nå skal studenter ved Fysisk institutt og Institutt for informatikk snekre sammen en satellitt som skal varsle romvær gjennom et helt år. Går alt etter planen, håper Jøran Moen at den europeiske romfartsorganisasjonen ESA vil bruke noe av teknologien fra studentsatellitten i en permanent romværvarslingssatellitt i fremtiden.

Et av de mest avanserte instrumentene er konstruert av stipendiat Knut Stanley Jacobsen på Fysisk institutt. Oppfinnelsen hans er et sinnrikt system med fire små pinner, like store som nåler. Pinnene kalles langmuir-prober og er vanlig brukt teknologi for å måle plasma i rommet.

NASA brukte teknologien til å måle elektrontettheten i plasmaskyene rundt Saturn med Cassini Huygens-satellitten i 2004.

Bedre enn NASA

Poenget er at Knut Stanley Jacobsen har designet probene på en slik måte at det er mulig å foreta langt hurtigere målinger av elektrontettheten enn det NASA har klart frem til i dag.

– Studentsatellitten kommer til å ha en hastighet på sju kilometer i sekundet. Skulle man bruke NASA-teknologien i studentsatellitten, ville hvert sveip ta ett sekund. Det er altfor lenge. Det gir en oppløsning på bare sju kilometer, påpeker Jacobsen.

Han forenklet ligningene og fant ut at man kunne gjøre beregningene langt mer effektive ved å bruke fire langmuirprober samtidig. På denne måten har han klart å forbedre oppløsningen av målingene i elektronskyene til tre meter.

– Probene er redesignet. De er nå veldig små og veier svært lite. NASA målte 100 til 200 spenninger for hver måling. Vi klarer oss med fire målinger. Nå tar målingene bare en totusendels sekund. Ingen har klart dette før, stråler Knut Stanley Jacobsen.

I rakettforsøket fikk han vist at den nye teknologien hans virket over kort tid.

– I studentsatellitten får vi testet om probene våre også fungerer over lengre tid.

Satellitten blir skutt opp fra en internasjonal rakettbase i november 2011. Den norske satellitten blir bare en av mange i rakettlasten. Det er derfor satt klare begrensninger på satellitten. Den må ikke være større enn to kubikkdesimeter eller veie mer enn to kilo.

Kommuniserer med Blindern

Det er ikke nok å proppe satellitten full med avanserte måleinstrumenter. Den må også kunne kommunisere med Jorda. Universitetet i Oslo skal bygge en mottaksstasjon på taket av Fysikkbygningen på Blindern.

– I tilfelle systemet ved Universitetet i Oslo svikter, skal det også være mulig for andre universiteter å laste ned signalene, påpeker professor i elektronikk, Torfinn Lindem ved Fysisk institutt.

For å laste ned dataene har studentene fått to frekvensbånd i amatørklassen.

– Ettersom denne kommunikasjonshastigheten er svært begrenset, er det bare mulig å laste ned åtte sekunders fulloppløselige data per jordomløp. Selv om vi ikke får mye data ned, vil vi likevel klare å vise at målesystemet virker. Det er det viktigste. Studentsatellitten skal bli en demonstrator, forteller Jøran Moen.

Satellitten skal også ha en mottaker om bord, slik at studentene kan endre på programmene når satellitten er i bane.

Styring uten rakett

Når raketten skyter ut satellitten i rett bane, i 600 til 800 kilometers høyde, er det fare for at satellitten havner i spinn.

– Det er viktig at senderen på satellitten peker mot basestasjonen på Fysikkbygningen ved Universitetet i Oslo. For å gjenopprette orienteringen ved spinn vil vi bruke strømspoler til å lage et magnetfelt rundt satellitten. Da vil den stilles inn mot Jordas magnetfelt, forteller Knut Stanley Jacobsen.

– Vi regner med at vi har nok strøm til å rette opp et spinn, men problemet er at det er lite energi ombord, sier Torfinn Lindem. Solcellepanel skal sørge for strømleveringen.

Takler stråling

For å bruke minst mulig energi ønsker professor Oddvar Søråsen ved Institutt for informatikk å bruke nanoteknologi i de integrerte kretsene i hardwaren.

– Vi vil lage en kompakt chip med både sender og mottaker, en som har høy ytelse og bruker lite energi. Ettersom det er energikrevende å sende rådata, vil det være energilønnsomt å foreta lokale beregninger og sende disse svarene fremfor rådata, sier Oddvar Søråsen.

All informasjon i hardware lagres som nuller og enere. Den voldsomme strålingen i verdensrommet kan føre til at nuller blir til enere og omvendt.

– Vi skal derfor ha et selvreparerende system, slik at det virker tross stråling eller permanente defekter i hardwaren, forteller forsker Snorre Aunet ved Institutt for informatikk. Spesialet hans er å plassere 100 millioner transistorer i én mikrochip.

Prøve og feile

Nasjonalt senter for romrelatert opplæring (NAROM) på Andøya rakettskytefelt og Norsk Romsenter er blant sponsorene. – Vanligvis har man ikke råd til å feile. Vi ville derfor ha dette studentprosjektet for å gi studentene anledning til å prøve og feile, påpeker Bo Andersen , som både er styreleder i NAROM og administrerende direktør i Norsk Romsenter.

Emneord: Matematikk og naturvitenskap, Informasjons- og kommunikasjonsvitenskap, Algoritmer og beregnbarhetsteori, Distribuerte systemer Av Yngve Vogt
Publisert 1. mars 2012 13:01 - Sist endret 1. mars 2012 13:02
Legg til kommentar

Logg inn for å kommentere

Ikke UiO- eller Feide-bruker?
Opprett en WebID-bruker for å kommentere