Även i Finland byggs satelliter

Arikeln är skriven av Johnny Finnholm och är den första i en serie om utvecklingsarbete kring rymdteknologi. Johnny håller på att knyta ihop säcken beträffande sina studier vid Aaltouniversitetet. Förutom att han flera år jobbat med elförsörjningen för Aalto-1 som beskrivs här är han en  av ingenjörerna bakom ICEYE. Mera därom är på kommande! 

Det var en fredagskväll för några veckor sedan och jag och några av mina kolleger for via krogen efter jobbet för att välförtjänt slappna av efter en produktiv arbetsvecka. Väl där träffade vi några av mina kollegers bekanta och i något skede flöt diskussionen in på jobb. En av dem frågade mig vad jag skulle vilja jobba med om jag skulle få välja precis vad jag vill. I samma mening uttryckte denne även sin djupa frustration för sitt eget dagsverke. Efter en kort stunds eftertanke insåg jag att jag inte kunde komma på något som kunde locka mig mera än det som jag jobbar med för tillfället. Detta var väldigt svårt för honom att förstå, hur kan det inte finnas något som jag hellre skulle vilja göra om dagarna? Svaret ligger antagligen i att jag har haft, och fortfarande har, möjligheten att förverkliga mina ambitioner.

Som liten var jag lik de flesta och var alltid väldigt frågvis. Det som dock skiljde mig från resten, var att jag inte slutade ifrågasätta saker. Detta togs emot med varierande entusiasm, för att uttrycka det milt. Det var inte bara en gång som folk blev irriterad på min frågvishet, men det fanns också dem som uppmuntrade mig. Utan dem skulle jag knappast vara där jag är idag. I gymnasiet blev min passion för elektronik och rymden allt starkare och jag bestämde mig för att byta gymnasie för att kunna fokusera mera på naturvetenskapliga ämnen. Efter att ha avlagt IB-studentexamen i Vasa började jag studera elektronik vid Tekniska högskolan. Det visade sig vara betydligt enklare att bli antagen än att bli utexaminerad, främst på grund av alla de möjligheter som öppnades i den diversifierade omgivningen i Finlands främsta teknologicenter.

1 Januari 2010 invigdes det nya Aalto universitetet när Tekniska högskolan slogs ihop med Helsingfors handelshögskola och Konstindustriella högskolan. Detta medförde en hel del nya vindar på campus och i samma veva startades också projektet Aalto-1. Studerandeprojektet har som mål att lyckas med konststycket att planera, utveckla och slutligen skjuta upp Finlands första satellit. Aalto-1 fick dock hastigt en utmanare, Aalto-2, som nu med rask takt närmar sig uppskjutning. Dessa två universitetsprojekt har nu även lett till ett framgångsrikt spin-off projekt, ICEYE. Under min tid vid Institutionen för radiovetenskap och radioteknik, som är ansvarig för merparten av rymdteknologiforskningen vid Aalto, har resurserna ökat markant och våra projekt har blivit flaggskepp för hela universitetet.

Aalto-1

Aalto-1 är inte mycket större än ett mjölkpaket, men innehåller förutom alla essentiella system för att styra, kommunicera och fungera i rymden, även tre stycken ”payloads”. Dessa toppmoderna instrument, utvecklas av externa instutioner runt om i Finland. VTT, Finska statens tekniska forskningscentral, utvecklar en ny typ av ”spectral imager”. Instrumentet är i princip en kamera som man kan ställa in vilka våglängder man vill fotografera. Med hjälp av detta kan man enkelt diagnostisera t.ex. växtlighet och oljeutsläpp. Det andra externa instrumentet är en miniatyr-strålningsmätare, ”radiation monitor”, utvecklad i samarbete av Åbo universitet och Helsingfors universitet. Instrumentet skall demonstrera en ny teknik för att kartlägga partikulär strålning (elektroner och protoner) fångade i jordens magnetfält. Det tredje och potentiellt mest ambitiösa instrumentet är en elektrostatisk plasmabroms, uppfunnen och utvecklad vid Meteorologiska institutet. Avsikten är att demonstrera möjligheten att utnyttja plasmaomgivningen vid jordens poler för att bromsa satelliten och därmed ta den ur omloppsbana när övriga experiment är fullbordade. Bromseffekten skapas av en lång, tunn vajer som laddas upp till en hög potential för att interaktera med plasman. Instrumentet är ett steg i ledet för att verifiera funktionaliteten av Pekka Janhunens innovation, det elektriska solvindsseglet.

De nämnda instrumenten är dock enbart den vetenskapliga delen av vad Aalto-1 består av, därtill så kommer alla undersystem som vi ingenjörer har utvecklat och integrerat. Det är i dessa system det egentliga värdet ligger, åtminstone för oss som har fått chansen att vara med och lära oss att bygga en satellit från början fram till den stundande uppskjutningen. Aalto-1 är i första hand ett projekt för framtidens ingenjörer att utmana sina färdigheter och lära sig produktutveckling. Detta var också huvudmålet när koordinatorn, numera professorn Jaan Praks startade igång det hela som ett kursprojekt 2010.

Den inledande kursen gick ut på att göra en s.k. ”Feasibility Study”, en utvärdering av möjligheten att starta ett satellitprojekt vid universitetet. Deltagarna fick i uppgift att söka reda på möjliga instrument och undersystem som skulle kunna användas vid utvecklingen och byggandet av en studerandesatellit. Efter kursens slut hade de flesta deltagarna fått blodad tand, och projektet började ta form på riktigt. Dock så kräver även ett studerandesatellit en viss budget för att kunna utvecklas och pengar var inte riktigt lätt att få tag på i början. Det tog trots allt inte så värst länge innan universitetets PR-avdelning insåg att det fanns potential i vårt projekt, och plötsligt såg man bilder på Aalto-1 lite överallt, allt från videosnuttar på info-skärmar i metron till en 10 meter hög reklamskärm vid Kampen i mitten av Helsingfors. Tack vare publiciteten försvann också oron över om vi skulle ha råd att skjuta upp satelliten i omloppsbana när väl den dagen kommer. I skrivande stund är kontraktet för uppkjutningen klart och vi håller på att fylla i all dokumentation som krävs för att bli accepterade för uppskjutning. I och med detta har vi nu också en definitiv deadline när allt måste vara klart. På en storbildsskärm i vårt labb går nu också en nedräkningsklocka i bästa Hollywood-manér. Nu är det bara att få allt färdigt i tid.

Att få allt färdigt är allt annat än enkelt när man gör något så komplicerat som en hel satellit för första gången. Det är fortfarande så mycket som kan gå fel när satelliten väl befinner sig på uppskjutningsplattformen. När väl raketmotorerna startar så inleds de mest utmanande minuterna i satellitens livstid, i drygt tre minuters tid kommer allting att skakas av enorma krafter och chocker på hundratals (i vissa fall t.o.m. tusentals) G-krafter kommer att slita i vår lilla ”mjölkburk”. Aalto-1 befinner sig i detta skede högst uppe på raketen i nyttolast-utrymmet tillsammans med ett flertal andra satelliter. Satelliten ligger ännu inpaketerad i en ”deployer”, en metallåda med en fjäder i botten som kan öppnas på kommando. När dessa våldsamma minuter är över och översta steget av raketen har nått rätt bana släpps satelliten ut ur sin låda. Där möter den en ytterst ogästvänlig omgivning; nästintill totalt vakuum, strålning av diverse slag och våldsamma temperaturväxlingar. Förhoppningsvis har vi tagit allt detta i beaktande under utvecklingsprocessen och alla delar fungerar som de ska.

Testing, testing…

För att förbereda satelliten på vad komma skall, har vi i flera år testat enskilda komponenter och system i de förhållanden som väntas i den planerade omloppsbanan. Detta är tidsdryga och dyra processer som bör vara noga genomtänkta och förberedda. Det är trots allt bättre att man förstör 10 prototyper i test än att man skickar upp nånting som inte fungerar. Det är ju inte precis enkelt att föra en uppskjuten satellit på service. Testerna har utförts på diverse håll runtom i landet, och även till viss del på andra håll i Europa. Denna vår har vi även fått finansiering för att bygga vårt egna lilla testlaboratorium vid Aalto. Där har vi nu bl.a. tillgång till ett testskåp för att cykla temperaturväxlingar. Väl i omloppsbana kommer vissa delar av satelliten att utsättas för temperaturväxlingar mellan ca -50 och +80 grader var 90:nde minut. Detta skapar stress mellan olika material och gränssnitt förstörs, ledningsförmågan försämras och i vissa fall kan material t.o.m. brytas sönder av krafterna som uppstår. Vi har även möjlighet att testa system i vakuum och cykla temperaturen där. Dessa långvariga test är i allmänhet ganska tråkiga att följa eftersom de ofta tar flera dagar, om inte flera veckor att genomföra. Vibrationstest är precis tvärtom, de varar bara några minuter och man ser ofta direkta resultat. Vibrationstesterna görs genom att man fäster systemet man ska testa i en specialgjord ställning på själva vibratorn. Vibratorn rör sig oftast i endast en riktning så man gör om testerna med systemet fastsatt i alla tre vinkelräta plan. Frekvenserna som vibratorn sveper igenom bestäms i allmänhet enligt vilken raket som skall användas för uppskjutningen, eftersom alla raketer har lite olika spektrum. I vårt fall vet vi inte ännu vår raket och därför testar vi enligt en gemensam internationell standard. Vad är då så farligt med dessa vibrationer? Amplituden är i allmänhet väldigt låg (mindre än en millimeter), men om man har otur med den mekaniska designen har systemet en resonansfrekvens som ligger nära en vibrationsfrekvens som raketen producerar, vilket leder till att mekaniska krafter uppsamlas fort. Principen är den samma som för en gunga, om man knuffar fart vid rätt tidpunkt (rätt frekvens) så tillför man mer och mer fart.

Strålning är kanske den svåraste att tackla av de utmaningar som hör till en satellits utveckling. Olika typer av strålning påverkar olika material i satelliten på olika sätt och materialegenskaper ändrar och halvledare i all elektronik ändrar beteende och kan t.o.m. förstöras helt på en gång om en tillräckligt energisk partikel träffar ett känsligt ställe. Dessa incidenter inträffar sporadiskt och praktiskt taget går det inte att skydda elektroniken helt för dessa. Den energi som partiklarna dumpar i halvledarmaterial är ofta tillräcklig för att ändra halvledarens ”läge”. Detta betyder att när halvledarens information läses ut är den korrupt, vilket kan ha oanade följder. Därför implementeras i allmänhet kod som identifierar och i flera fall klarar av att rätta fel i datan. Trots detta, lyckas det inte alltid, och systemet kan i värsta fall bli oanvändbart. Därför är det praxis i satelliter att ha flera parallella system som gör samma sak. Om det ena går sönder kan man fortfarande använda det andra. Detta skapar dock ett mera invecklat system, med fler komponenter som kan gå sönder. Därför är det verkligen ingen enkel uppgift att avgöra om det lönar sig att lägga till parallella system.

Komponenters strålningstolerans mäts på två sätt; dels hur mycket total strålning komponenten kan utstå förrän den inte längre kan fungera (Total Induced Dose, TID) och hur komponenten reagerar på tyngre partiklars ioniserande strålning som orsakar de ovannämnda effekterna (Single Event Effect, SEE). TID kan testas relativt lätt med en kalibrerad strålningkälla av t.ex. Co-60. Den totala energin av den gamma-strålning som sprids från isotopen per tid och yta är relativt enkel att räkna ut och på så vis kan man undersöka hur mycket strålning komponenten kan klara av. SEE är dock betydligt mer problematiskt att testa, eftersom energin som krävs för dessa är betydligt högre (~MeV) och endast ett fåtal ställen i världen har tillgång till den utrustning som krävs. Men vi är lyckligt lottade, eftersom ett laboratorium vid Jyväskylä Univeritet är ett av dessa ställen. Deras laboratorium anlitas också frekvent av ESA (European Space Agency) för liknande test.

Förutom dessa rymdomgivningstester så görs integreringstester, för att se till att alla system fungerar tillsammans som de ska. I det skede som man kopplar ihop två system som olika personer eller grupper har gjort så brukar det sällan lyckas så bra att allt passar ihop på första försöket. Allihop är vi människor och tänker lite olika, det som ter sig självklart för någon kan vara något helt annat ur en annan persons perspektiv. Detta leder också lätt till kommunikationsutmaningar, speciellt i en mångkulturell omgivning med personer från i stort sett hela världen. Detta är vardag i rymdteknikbranchen, varje dag på jobbet diskuterar jag med personer från över 10 olika länder. För Aalto-1:s del har studerande från totalt över 25, kanske 30, länder bidragit till utvecklingen i något skede de senaste fem åren.

Eftersom kommunikation är en sann utmaning i stora projekt krävs mängder av dokumentation för att försäkra att information sparas och förmedlas. Detta är något som motiverar få ingenjörer, och är därmed en verklig utmaning att hålla uppdaterad. Men utan välgjord dokumentation är det mycket svårt att definiera gemensamma gränsnitt och hålla reda på essentiell information som berör flera parter.

Detta var första delen i en serie av texter som jag lovade Jan för en bra tid sedan. Jag kommer under våren att plita ner några rader till. Härnäst kommer jag att gå igenom lite mera vad som finns i en liten satellit och hur den fungerar. Stay tuned!

-JF