Masat-1: egy tízcentis kocka, amely közel három évig keringett

Kevesebb mint egy kilogramm, tíz centiméter élű kocka, és egy mérőszalagból hajlított antenna. Ennyi volt a Masat-1, Magyarország első műholdja, amelyet a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem (BME) hallgatói és oktatói építettek. A szerkezet 2012. február 13-án indult a Francia Guyana-i Kourouból, az Európai Űrügynökség Vega hordozórakétájának első repülésén, és közel három évig keringett, mielőtt 2015. január 9-én belépett a légkörbe és elégett.

Hogy egy ilyen apró szerkezet miért nem csak játékszer, és mit lehet belőle megtanulni, azt a legjobban a saját számaiból lehet megérteni.

Mi az a CubeSat?

A CubeSat egy szabványos kisműhold-formátum. Az alapegysége, az „1U”, egy 10 × 10 × 10 centiméteres kocka, legfeljebb nagyjából egy kilogramm tömeggel. A szabvány azt is rögzíti, mennyire lóghat ki bármi a kocka oldalaiból, hiszen a műholdat egy rugós indítókonténerből lökik ki a rakéta mellékutasaként. Ennek köszönhető, hogy egyetemi csapatok is eljuthatnak a világűrbe: nem kell saját rakéta, elég egy szabványos „csomag”, amely beférhet egy nagyobb küldetés mellé.

A magyar szóhasználatban a Masat-1-et gyakran pikoműholdnak nevezték, utalva arra, hogy a tömege egy kilogramm körül van. A BME csapatának leírása szerint a kész szerkezet 998,5 grammot nyomott.

Miből él egy kocka a világűrben?

A Masat-1 minden oldalát napelemek borították. A csapat egyik műszaki cikke szépen végigszámolja, mennyi energiával gazdálkodhattak – érdemes követni, mert egy fizikaórán is elvégezhető becslés.

1. A Föld távolságában a napsugárzás teljesítménysűrűsége óvatos becsléssel 1000 watt négyzetméterenként.
2. Egy 10 × 10 centiméteres oldal területe 0,01 négyzetméter, így elvben 10 watt jutna rá.
3. A gyakorlatban az oldalakra szerelt érzékelők és a sínek miatt ennek csak nagyjából 60 százaléka hasznos felület, a napelemek hatásfoka pedig 30 százalék körüli. Így átlagosan körülbelül 2 watt marad.
4. A műhold keringése nagyjából 60 százalékát tölti napfényben, a többit a Föld árnyékában. Egy teljes körre átlagolva így 1,2 watt körüli egyenáramú teljesítménnyel lehetett számolni.

Ebből kellett működtetni a fedélzeti számítógépet, a stabilizálást és a rádiót is. Nem csoda, hogy a rádióadó kimenő teljesítménye két fokozatban, 100 és 400 milliwatt között volt kapcsolható. Az árnyékos szakaszokra akkumulátor tárolta az energiát, minden napelemoldalhoz pedig saját, úgynevezett maximális munkapontkövető áramkör tartozott, amely a forgó műhold változó megvilágítása mellett is a legtöbbet igyekezett kihozni a cellákból.

Rádió, antenna, tartalékok

A Masat-1 a rádióamatőr-sávokban, 437 és 145 megahertzen kommunikált. Ennek gyakorlati előnye volt: a jeleit bárki fogadhatta, akinek megfelelő amatőr rádiója és egy egyszerű irányított antennája volt. A csapat beszámolója szerint mintegy kétszáz regisztrált rádióamatőr vette a műhold jeleit szerte a világon, és küldte be a fogott adatcsomagokat a központi szerverre. A műhold 2012. február 16-án megkapta az MO-72 jelölést, vagyis hivatalosan is bekerült az amatőr műholdak sorába.

A tervezők a megbízhatóságot tartalékolással biztosították: minden létfontosságú alrendszerből legalább kettő volt a fedélzeten, például két, egymást hidegtartalékként helyettesítő mikrokontroller és két független rádiórendszer. Az antennát egy közönséges mérőszalagból alakították ki, amely összetekerve elfért a kockában, pályára állás után pedig kinyílt. A mérőszalag rugalmassága itt erény volt, a beégetett festékréteg pedig megakadályozta, hogy vákuumban a fémfelületek összetapadjanak.

Forgás és stabilizálás mágnesekkel

Egy kis kockának nincs helye rakétahajtóműre vagy nagy lendkerekekre. A Masat-1 ehelyett félaktív mágneses stabilizálást használt: a fedélzeten egy állandó mágnes és két elektromágnes volt. Az elektromágnesek áramát változtatva a műhold a Föld mágneses terébe „kapaszkodva” tudta befolyásolni a saját forgását – nagyjából úgy, ahogy egy iránytű tűje is beáll a mágneses tér irányába. Hogy tudja, épp hogyan áll, arról giroszkópok, mágneses térérzékelők, gyorsulásmérők és napérzékelők adtak információt.

Mit mért, és meddig működött?

Fontos kimondani: a Masat-1 elsősorban technológiai és oktatási küldetés volt, nem tudományos mérőplatform. A célja annak bizonyítása volt, hogy egy hallgatói csapat által tervezett energiaellátó rendszer, adó-vevő és fedélzeti adatkezelés működik a világűrben. A legtöbb „mérése” ezért saját magáról szólt: hőmérsékletekről, napelemáramokról, akkumulátorfeszültségről, forgási adatokról.

Volt azonban egy kis kamerája is, 640 × 480 képpontos felbontással. Az egyéves évfordulón a fejlesztők arról számoltak be, hogy a műhold addigra mintegy ötezerszer kerülte meg a Földet, több mint ötmillió adatcsomagot küldött, és több mint 150 felvételt készített. Néhány egymást átfedő képből a csapat mozaikot és térhatású képet is összeállított.

A legmeglepőbb szám az élettartam. A tervezők a csapat egyik cikke szerint mindössze három hónapos működéssel számoltak, a műhold viszont közel három évig üzemelt. A pályája – kezdetben nagyjából 300 és 1450 kilométer közötti magasságban futó elliptikus pálya – a ritka, de a legalacsonyabb pontokon még érezhető légkör fékező hatása miatt fokozatosan süllyedt. Az utolsó napokban a műhold a „Goodbye World!” üzenetet sugározta, majd 2015. január 9-én belépett a sűrűbb légrétegekbe, és megsemmisült.

Számolj utána: Mérd meg egy kis kerti napelemlámpa paneljének méretét, és becsüld meg a fenti lépésekkel, mennyi teljesítményt adhat napos délben. Utána nézd meg a lámpa adatait. A különbségből sokat meg lehet érteni a hatásfokról, a beesési szögről és a „névleges” értékek csapdáiról.

Első? Igen, de pontosan miben?

A Masat-1 az első olyan műhold volt, amelyet Magyarországon terveztek és építettek, és amely magyar üzemeltetésben keringett. Magyar műszerek ugyanakkor már korábban is jártak az űrben, más országok űreszközeinek fedélzetén. Az „első magyar műhold” cím tehát pontos, de nem azt jelenti, hogy ezt megelőzően semmilyen magyar fejlesztés nem jutott volna ki a világűrbe.

Mi jött utána?

A Masat-1 legfontosabb eredménye talán nem is a saját adatsora, hanem az, hogy a BME-n kialakult egy csapat és egy tudás, amelyre lehetett építeni. A következő lépés a még kisebb PocketQube formátum lett, amelynek egységkockája mindössze 5 centiméteres.

• SMOG-P és ATL-1 – 2019. december 6-án indultak egy Electron rakétával az új-zélandi Mahia-félszigetről. A SMOG-P egy 5 centis kocka, amelynek fő feladata az „elektroszmog”, vagyis a földi rádióadók által a világűr felé kisugárzott elektromágneses zaj feltérképezése volt. A BME beszámolója szerint a három hónapra tervezett eszköz nyolc hónappal az indítás után is működött; 2020. szeptember 28-án lépett be a légkörbe. Az ATL-1 egy dupla méretű, szintén a BME-n fejlesztett, magánfinanszírozású társ volt.
• SMOG-1 – 2021. március 22-én indult egy Szojuz-2.1a rakétával Bajkonurból.
• MRC-100 – 2023. június 12-én állt pályára egy SpaceX Falcon 9 rakétával. Nevét a Műegyetemi Rádióklubról kapta, amely 2024-ben ünnepelte századik évét.

A Masat-1 tehát nem zsákutca lett, hanem egy sorozat első darabja. Hogy mennyit ér egy ilyen sorozat, azt nem a pályán töltött napok száma mutatja meg, hanem az, hány mérnök tanulta meg rajta a világűr kegyetlen feltételeit – a szűkös energiát, a hideg-meleg ingadozást és azt, hogy a hibát fent már senki sem javítja meg.