Než se satelit vynese na oběžnou dráhu

Okna vesmíru dokořán, jak praví název stejnojmenné knihy Jiřího Grygara, se otevírají stále širším možnostem. Komercionalizace letů do vesmíru, resp. dostupnější přístup ke slotům vynesení družic na oběžnou dráhu Země, představuje příležitost pro velké spektrum vědecko-výzkumných organizací, univerzit i soukromých společností. Nyní jsou družice schopny vykonávat funkce spolehlivě po velmi dlouhou dobu, ovšem platilo by to tak i v případě, že by byly nahrazeny některé komponenty komerčně dostupnými bez příslušných certifikací? Takové řešení s sebou nese nezanedbatelné výhody, jako například výrazně rychlejší dodání komponent (a tedy rychlejší vývoj družice), levnější cenovku nebo odlišný sortiment použitelných dílů. A to stojí za úvahu. Ovšem obstojí tyto komponenty v nehostinném prostředí kosmu? Jak dlouho jsou díly schopné pracovat, než se navždy odmlčí? Na tyto otázky přináší odpověď pracoviště Centra výzkumu Řež, která se na radiační testování pro vesmírné aplikace zaměřují.

Prostředí, kde se elektronice nelíbí

Že vesmír není vstřícné místo pro živé organismy, je neoddiskutovatelný fakt, se kterým si lidé snaží poradit už mnoho desetiletí. Ovšem ani elektronickým součástkám příliš nesvědčí. Svou úlohu hraje zejména sluneční vítr a kosmické zavřeni. Magnetosféra Země je naším cenným spojencem a štítovou hradbou proti proudu nabitých částic slunečního větru. Zdrojem je sluneční korona, z níž jsou uvolňovány především protony, elektrony a alfa částice (jádra helia), přičemž energie částic se pohybuje v rozmezí 0,5–10 keV. To, že kontakt s takovými částicemi není zrovna příjemná záležitost, dokládá i typická rychlost částic u Země, která činí 500 km/s [1]. Přičteme‑li i další vysokoenergetické částice, ionty a gama fotony, vyjde nám opravdu bohatý destruktivní koktejl kosmického záření, na který je třeba se připravit.

Testování fotovoltaického článku v osvitové komoře (zdroj: Centrum výzkumu Řež)Zdroj: Centrum výzkumu Řež

Radiační testování fotovoltaických článků pro vesmírné aplikace v ozařovacím boxuZdroj: Centrum výzkumu Řež

Nesnadné konstruktérovo rozhodování

Nasimulovat celé spektrum záření přicházejícího z kosmu v rámci jedné laboratoře není technicky proveditelné. Co ovšem umíme, je vystavit daný vzorek požadovaným typům záření za předem specifikovaných podmínek. Především u komerčně dostupných komponent jsou takové testy více než žádoucí, neboť hodnoty jejich odolnosti vůči radiaci nejsou většinou známy. V takovém případě stojí konstruktér satelitu před důležitým rozhodnutím. Buď může vsadit na redundanci a implementuje záložní systémy stejného typu, což s sebou může nést prostorové nároky na úkor ostatních systémů na satelitu a také vyšší hmotnost (neboť každý gram se počítá). Nebo se smíří s nepředvídatelnou životnosti dané součástky, potažmo celé družice, což ovšem může znamenat, že mise nedosáhne vytyčených cílů. Vhodnou variantu tedy představuje radiační testování nejdůležitějších částí satelitu, které umožní predikci jejich funkčnosti ve vesmíru, a to i navzdory vícenákladů na ozáření a radiační testování.

Když se jde na radiační testování vědecky

Jak bylo popsáno výše, kosmické záření na široké spektrum od neutronového po gama záření. Pro simulování vlivu záření na funkci nebo životnost konkrétní komponenty je tedy potřeba ozařování rozdělit mezi více laboratoří podle jednotlivých spekter záření. Gama ozařovna Malý kobalt (GOMA) v malebném řežském údolí disponuje variabilními možnostmi simulace vesmírného prostředí. Byť je zaměřena pouze na gama spektrum, umožňuje díky speciálnímu ozařovacímu boxu testování za kryogenních teplot až –196 °C či vysokých teplot až +400 °C, čímž je možné dosahovat cyklického tepelného namáhané simulujícího průlet satelitu stranou přivrácenou ke Slunci a v zemském stínu. Zařízení také díky implementované turbomolekulární vývěvě umí vytvořit vysoké vakuum 10–8 torr. Aktivita kobaltového zdroje (⁶⁰Co) činí 150 TBq, přičemž je možné pohybovat se v dávkových příkonech v rozmezí 10–0,005 kGy/h. Lze testovat radiační šok nebo nechat pozvolna ozařovat testovaný vzorek a simulovat tak jeho radiační dávku na určené orbitě. Nepřetržitý vzdálený monitoring datových výstupů pomáhá zjistit okamžitou funkčnost komponenty a stanovit dávku, při které dojde k poruše komponenty v přímém přenosu.

Další laboratoří doplňující portfolio radiačních služeb je Laboratoř neutronového generátoru. Jak již název napovídá, jako izotopový zdroj neutronů slouží ²⁵²Cf. Možnosti testování v Centru výzkumu Řež významně rozšiřují také oba výzkumné jaderné reaktory LVR-15 a LR-0, které poskytují zdroj neutronového a gama zavření. Pro procesy ozařování protony a těžkými ionty společnost využila také spolupráce s kolegy z Akademie věd České republiky (AV ČR) – Ústavu jaderné fyziky, kteří disponují ve společném řežském areálu cyklotronem TR-24 a izochronním cyklotronem U-120M a také mikrotronem v podzemí pod pražským Vítkovem.

Vesmírné testování

CubeSatSnímek Small Satellite Demonstrates Possible Solution for ‘Space Junk’, NASA, 2018

V rámci vědecko-výzkumných projektů pro obor space byly v řežském údolí – v laboratoři GOMK i v Laboratoři neutronového generátoru – radiačně testovány například typově stejné fotovoltaické články, které byly instalovány na první slovenské družici SKCube [2]. Spolupráce probíhala společně se slovenskou firmou RMC, s. r. o., která pro satelit zajišťovala primární zdroj energie ze solárních článků, nabíjení baterií a napájecí zdroj. Testovány byly solární články od společnosti AZUR SPACE Solar Power, GmbH, a SPECTROLAB, Inc., patřícího do holdingu Boeing Corp. Ve spolupráci s pracovišti AV ČR se prováděly také radiační zátěžové testy kompozitových stínících panelů. Na své si přijdou i zákaznici, kteří by rádi vyzkoušeli radiační zátěž elektronických zařízení, jakými jsou například čipy, senzory, procesory, ale také desky plošných spojů či elektronických soustav.

Proč je dobré experimentovat

Komponenty umístěné na družici nemusí ztratit svou funkci pouze vlivem poškození celkovou limitní radiační dávkou, ale například také vlivem průletů van Allenovými pásy, kvůli nepředpokládané radiační události např. Single Event Effect, průletem Jihoatlantickou radiační anomálií [3] apod. Informace, co lze očekávat od životně důležitých provozních systémů satelitu v tomto prostředí, může významně ovlivnit úspěch celého projektu včetně toho, jak dlouho bude schopný měřit a sbírat data nebo jak čistý bude datový výstup, který se dále zpracovává na Zemi. A pokud se kosmonautika, především v rámci malých kompaktních satelitů typu CubeSat, ubírá směrem k snižování pořizovacích nákladů (na což je vyvíjen velký tlak), je více než vhodné provádět radiační testy za účelem zjištění spolehlivosti daných systémů a součástek tak, aby bylo možné předvídat úspěch celé mise. A na takové úkoly a nové výzvy jsme v centru výzkumu Řež připraveni.

Gama ozařovna Malý kobaltZdroj: Centrum výzkumu Řež