A legextrémebb körülményekre tervezve: Hogyan készülnek a műholdak?

Csillagvizsgáló Svábhegyi

Mi kell ahhoz az akaraton és a pénzen kívül, hogy elkészüljön egy űrszonda, egy rover, vagy egy műhold a valóságban? Hogyan tervezik meg, mire kell figyelni, és milyen tudást igényel egy ilyen eszköz tényleges megépítése? Milyen körülményeket kell kiállniuk az űrbe juttatott eszközeinknek? Cikkünkben első kézből tekintjük át a műholdkészítés kihívásait.

Hagyományőrzés avagy “Flight Heritage”

Az űriparban mindennél többet ér, ha már valami bizonyított. Ezért van az, hogy a hatvanas évek technológiáit a mai napig használják. Például a ma is asztronautákat szállító Szojuz űrhajó szerkezete hatvan éves múltra tekint vissza, így a hagyományőrzés a mai Szojuz-okon is a legapróbb részletekig tetten érhető. Hagyományőrző terület az elektronika is: a múlt hónapban Marsot ért Perseverance rover központi számítógépe mindössze egy mai egyszerű okostelefon teljesítményének a töredékével bír. Ez azért van, mert olyan számítógépet tettek bele, ami korábban már járt az űrben, és nem égett le. Éppen azt a chipet, amelyik az Apple nevű méltán híres céget mentette meg a csőd szélétől, még a kilencvenes években (256MB RAM, 200MHz BAE RAD750). De mitől is égne le az űrben egy számítógép?

Kint a világűrben, főleg a Földet körülvevő mágneses mezőn kívül óriási sugárzás cikázik minden irányba, széles spektrumon keresztül. A főkolompos persze a Nap, de a kozmikus sugárzás a világegyetem messzeségeiből minden irányból éri az űrben repülő eszközeinket. A nagyenergiájú részecskesugárzás ionizáló hatású, egész egyszerűen rövidzárlatot tud okozni az elektronikában, amitől a szó szoros értelmében leéghet egy számítógép. Olyan tranzisztorok kapcsolnak be a sugárzás hatására, amiknek éppen nem szabadna, ráadásul akár sokan egyszerre. Érdekesség, hogy a műholdakat részecskegyorsítóban tesztelik le, hogy mennyire viselik el az ilyen irányú terheléseket.

Másra is fel kell készülni, a sugárzás mellett. Egy műhold például naponta több mint tízszer megkerüli a Földet, ami azzal jár, hogy hol rásüt a nap, hol pedig hirtelen árnyékba kerül. A Földön ezzel semmi gondunk nincs, de odakint emiatt plusz és mínusz 100 Celsius fok között ingadozik a szonda hőmérséklete, és bizony gép legyen a talpán, ami ezt elviseli.

Mostanában kezd csak megújulni és széles körben kinyílni a műholdfejlesztési szektor, de ehhez rengeteg új szakemberre és kutatásra van szükség. A kihívások sokaságát jól mutatja, hogy az első teljesen magyar építésű műhold, a MASAT-1 mellett több másik kisműhold is utazott a pályára állító rakétán, viszont csak a miénk szólalt meg, a többiből drága űrszemét lett sajnos.

A kézművesség szerepe

Nézzünk meg néhány további érdekességet is. Kevesen tudják, hogy bár a világon a legtöbb gyár robotokkal, automatizálva üzemel, az űr-iparban ez koránt sincs így. Szinte minden kézzel, egyedileg készül, minden egyes alkatrészt, minden egyes kábelt és csavart egyedileg szerelnek bele az űr-eszközökbe, legyen szó műholdról, űrszondáról, sőt akár űrhajóról. Egyszerűen ez a technológia az, ami a legmegbízhatóbb.

Kézi beállítás kisműholdon, forrás:jpl.nasa.gov

Elektronika, ami nem megy tönkre

Egy elektronikában sok-sok ezer apró, általában pár milliméteres alkatrész dolgozik. Minden egyes darabot kézzel, 40 szeres nagyítású mikroszkóp lencséi alatt forrasztanak rá a nyomtatott áramkörre, hiszen minden kötésnek tökéletesnek kell lennie. Egy-egy kártya gyártása hónapokba telik, többször le kell ellenőrizni a munka minőségét menet közben, hogy tényleg száz százalékban hibátlan legyen a végeredmény. Egy letört forrasztáson az egész küldetés sikere is múlhat. A kilövéskor bizony óriási erők, főleg rezgések tépázzák meg a rakétát, ami a benne lévő hasznos teherre is kihat. A kilövésnél, vagy a légkörbe való visszatérésnél akkora gyorsulások érik az eszközt hosszú perceken át, mint egy autóbalesetben, tizedmásodpercekre az ütközés során. Úgy kell forrasztani, hogy a szonda ezeket az extrém erőhatásokat is túlélje. És ez vonatkozik a kábelekre is, nem szakadhat le egy sem!

A NASA-nál, és az ESA-nál is külön képzéseken tanítják a forrasztás módszereit. Csak az általuk vizsgáztatott technikusok és mérnökök nyúlhatnak hozzá az elektronikához, mindezt természetesen tisztaterekben. A szakmának három szintje van, az operátor, az inspektor, és az instruktori szint, mindegyik vizsgához kötött, és több év tapasztalattal lehetséges csak a szintlépés. Az operátor forraszthat műholdat, űrszondát, vagy az űrhajók elektronikáját. Három vizsgán kell átmennie ehhez: Egyik a furat alkatrészek (nyáklapon átmenő lábakkal rendelkező alkatrész) forrasztása, másik a felületszerelt (más néven SMD) alkatrészek forrasztása, harmadik pedig az ezek javításához szükséges bizonyítvány, és már meg is kapja operátori igazolványát cserébe. Az ő munkáját azonban egy inspektornak át kell vizsgálnia, minden egyes forrasztást meg kell néznie mikroszkóp alatt, és az eszköz csak az ő aláírásával kerülhet fel egy rakétára. Meg kell néznie a forrasz formáját, felületét, és a kártya tisztaságát. Az instruktor, aki ugye több éves operátori, és inspektori tapasztalattal rendelkezik, kiképezhet új operátorokat, de csak a saját cégén belül.

Szenzor elektronika, forrás:jpl.nasa.gov

Mechanika a precizitás csúcsán

A mechanika összeszerelése is teljes mértékben kézműves munka, hihetetlen precizitást, és kézügyességet igénylő feladatok vannak ebben a szakmában. Számomra az egyik legmeglepőbb az, hogy bizony gépekkel a mai napig sem tudnak olyan tökéletes golyóbist készíteni, ami egy komoly űripari csapágyban megállja a helyét, mondjuk pl. negyven éven keresztül folyamatos forgásban. Alig pár ember birtokolja azt a tudást, amivel egy ilyen golyót a tökéletességig lehet csiszolni, a legkomolyabb mikroszkópok lencséi alatt. A legkülönlegesebb olajokkal és zsírokkal kenik be, amik hosszú évtizedeken keresztül biztosítják a megfelelő kopásmentesítést, és síkosítást a forgáshoz. Ha egy ilyen csapágygolyó megkopik, ami nem jelent többet, minthogy pár mikron lemorzsolódik a felületéről, idővel elakadhat, mert az egyenetlen részen felgyűlik a kenőzsír. Ha ez megtörténik, a szonda orientációja irányíthatatlanná válik, nem fogja tudni az antennáját a Föld felé irányítani például, tehát örökre elveszítjük a kapcsolatot vele. És csak néhány mikrométer kopott le a giroszkóp csapágyának egyik golyójáról!

A Hubble űrtávcső a varrónőnél is járt

Az űripar önmagában is különleges, azonban a speciális küldetésekhez speciális felszereltség kell. A Hubble űrtávcső külső burkolatát óriási hőterhelés éri az űrben, hiszen a légkör enyhítő hatása nélkül kapja a napsugarakat. Ez nem csak azért veszélyes, mert például a hőtágulás miatt eltörhet valami, hanem mert magát az észlelést is befolyásolhatja. Ha például az infravörös tartományban érzékelő szenzort működtetik, amit éppen az égitestekből jövő hősugárzás detektálására fejlesztettek, a hősugár zajként jelenik meg a képeken. Tehát meg kellett oldani a hűtést, pontosabban a külső hő elleni árnyékolást. Ehhez leheletfinom anyagokból kellett összevarrni egy árnyékoló “kabátot”, a NASA fogta tehát magát, és megkereste a környéken fellelhető legjobb varrónőt, aki történetesen divattervező volt, és egy nappal korábban még táskákat tervezett. A szabóktól, és bőrművesektől ismert eszközökkel teljesen befedték a teleszkóp érzékeny részeit, így valósulhatott csak meg az az elképesztő tudományos kutatás, ami már több, mint harminc éve zajlik.

Néha a leghétköznapibb szakmák azok, amiken az emberiség történelme múlik. Ennek számomra nagyon megnyugtató üzenete van, hiszen az ember gyermeke részt vehet elképesztően különleges, korszakalkotó folyamatokban, még akkor is, ha nem tudós zseni, vagy mérnök. Az égbolt bizony mindenkié!

Hubble űrtávcső Forrás: jpl.nasa.gov

Jó hírek itthonról!

Magyarország régóta tagja az Európai Űrügynökségnek (ESA), de már jóval a tagság előtt, a Szovjetunió fennállása idején is részesei voltunk az űriparnak. Talán ennek leghíresebb elemei a Farkas Bertalan által végzett űrkísérleti eszközök. De nagyon sok küldetésbe tervezőként már részt vettek magyarok, főleg a tápegységek elkészítéséhez asszisztált hazánk. Mostanra odáig jutott a magyar űripar, hogy már itthon is készülnek műholdak, kezdve a hazai műhold-történelmet a MASAT-1-gyel.

És igen, ez azt jelenti, hogy már Magyarországon is lehet űreszköz építéssel keresni a kenyeret. Az egyre növekvő igényekkel egyre több okos, és/vagy ügyeskezű szakemberre lesz szükség. Ki tudja, talán pár év múlva gyermekünk a következő Mars rovert ragasztja össze, vagy esetleg az új űrruhát varrja meg? Nem baj hát, ha kedvünk támad ahhoz, hogy a két kezünkkel földöntúli dolgokat alkossunk, akár otthon, akár a munkahelyünkön, a lehetőségek erre is kezdenek megnyílni!

Szerző: Soltész Péter, Űripari gyártási mérnök
CSFK Konkoly-Thege Miklós Csillagászati Intézet / Svábhegyi Csillagvizsgáló

📸 A borítóképen: Perserverance kamera integráció, Forrás: jpl.nasa.gov