Как казахстанцы собирают наноспутники, которые запускает SpaceX
Основатели научной школы AlfaSat рассказали, как собирают наноспутники, один из которых был запущен в космос компанией Илона Маска SpaceX
Наверное, не многие об этом знают, но в Алматы есть научная школа AlfaSat, созданная на базе КазНУ имени аль-Фараби. И здесь, в небольшой лаборатории, ученые и студенты создают наноспутники – миниатюрные космические аппараты. В 2018 году они разработали наноспутник, который назвали «Аль-Фараби-2», и он был успешно запущен в космос компанией Илона Маска SpaceX. Теперь основатели научной школы AlfaSat планируют масштабную подготовку кадров со школьной скамьи. В этом им поможет фонд «Саби» с грантом на $30 000 – на эти средства будут разработаны комплекты для сборки наноспутников, которые AlfaSat передаст в казахстанские школы. О проекте, наноспутниках, запуске со SpaceX нам рассказал технический директор Амирхан Темирбаев.
Расскажите, с чего все начиналось? Кто стоял у истоков вашего проекта?
Началось все в 2012 году, когда мы впервые подписали меморандум с Токийским университетом, который является ведущим в мире по разработке наноспутников. Идея создания наноспутников и отечественной научной школы на базе КазНУ им. аль-Фараби принадлежала нашему ректору – Галымкаиру Мутанову, и он же предложил разрабатывать их совместно с Токийским университетом. В 2013 году мы выиграли научный проект на три года по линии Министерства образования и науки. Перед нами стояла задача – подготовить кадры и создать некоторые служебные подсистемы наноспутника.
Тот, что был запущен в Индии? Почему не заработал?
Да, он был запущен в Индии – взлетел в космос, но не подавал сигнал, не отвечал на наши команды. Как это обычно происходит? Спутник запускают, и через несколько часов он подает первый сигнал о том, что он жив. Наш первый спутник таких сигналов не подавал, поэтому мы запуск не афишировали. Были определенные ошибки, недочеты на уровне проектирования, а также проблемы с некоторыми компонентами спутника. Все это мы учли при создании второго спутника «Аль-Фараби-2». И примерно через полтора года нам удалось успешно запустить его с помощью компании SpaceX. В данный момент наш спутник работает в штатном режиме – он все время движется вокруг Земли, облетает планету шестнадцать раз в день, пролетает четыре раза над Алматы, подает сигнал радиолюбителям, наземным станциям. Мы можем давать ему определенные команды, и он отвечает на них. Помимо этого, наш спутник «Аль-Фараби-2» предназначен для проверки собственного бортового компьютера в космических условиях.
Для чего вообще нужны наноспутники? Какие функции они выполняют?
Для того, чтобы ответить на этот вопрос, начну с того, почему мы называем наши спутники наноспутниками. В космической индустрии спутники различают по массе: от 1 до 10 кг – наноспутники, от 10 до 100 кг – микроспутники, от 100 до 500 кг – мини-спутники, свыше 1000 кг – большие промышленные спутники. На сегодняшний день очень популярными являются разработка и запуск именно наноспутников.
Почему?
Потому что наноспутники имеют ряд преимуществ. Первое – у наноспутников небольшие размеры, и это самое главное. Во-вторых, они дешевые при разработке – для создания наноспутника на сегодняшний день требуется примерно 100 000 долларов, тогда как для создания больших спутников разработчики выделяют миллионы долларов. В-третьих, время создания наноспутников занимает два-три года максимум. Для сравнения, большие спутники разрабатываются несколько лет, до 10 лет. За это время устаревают технологии. В-четвертых, при создании наноспутников мы можем широко привлекать студентов. Это очень здорово, потому что таким образом мы готовим кадры. Студенты на практике знакомятся со всеми этапами создания настоящего космического аппарата. По сути, разработка наноспутника ничем не отличается от разработки больших космических аппаратов – также нужно спроектировать, разработать, собрать, протестировать, испытать, запустить. Наноспутники можно сделать небольшими коллективами – собраться по 5-6 человек, как мы, и собрать в лаборатории. А большие спутники так просто не сделать, нужно создавать большие промышленные зоны.
В таком случае, поясните, пожалуйста, почему наноспутники дешевые?
Потому что при их создании широко применяется так называемый Сommercial off-the-shelf (COTS — «готовые к использованию») технологий. Такие технологии применяются для удешевления стоимости космических аппаратов. Например, в качестве бортового компьютера наноспутника мы можем использовать процессор нашего смартфона. Его можно установить внутри наноспутника и запускать. Ведь смартфон может выполнять очень много функций –фотографировать, отправлять сообщения. Поэтому благодаря таким преимуществам наноспутники стали очень популярны. На сегодняшний день наиболее универсальным является формат CubeSat – стандарт, предложенный в 2003 году учеными Стенфордского университета. Он выполняется в форме куба размерами 10х10х10 см, и при необходимости достраивается, как лего.
Для чего это нужно? Для каких-то дополнительных функций?
Да, все верно. Если кто-то захочет добавить полезные нагрузки, можно собрать дополнительный куб.
Давайте вернемся к назначениям наноспутников. Какие функции они выполняют?
На сегодняшний день наноспутники выполняют четыре основные миссии. Первая – технологическая, когда инженеры или ученые хотят проверить разработанные ими какие-то новые технологии или устройства в космических условиях. Условный пример – компания Apple создает новый телефон, и хочет проверить его работоспособность в космосе. Они помещают устройство внутрь наноспутника и проверяют, как долго оно держится в космосе. Это одна из важнейших и незаменимых функций наноспутников. Вы же не будете делать большой спутник ради того, чтобы проверить маленькое устройство.
Вторая миссия – научная. Ученые разрабатывают научные приборы для измерения каких-то научных явлений в космосе – к примеру, магнитного поля или потоков заряженных частиц, затем интегрируют свои разработки в наноспутник и запускают. После чего спутник отправляет данные, собранные прибором, на землю, и здесь ученые уже собирают их и проводят свои исследования и расчеты.
Третье миссия – образовательная. Такие спутники делаются в немногих крутых вузах. В Казахстане их собираем только мы, потому что не у всех есть техническая база, специалисты, не всем хватает компетенций. Для чего это нужно? В университетах наноспутники разрабатываются для подготовки кадров – через подобные проекты готовятся специалисты нового формата, которые способны создавать космические технологии. Вот и наши два спутника носили образовательный характер. Нашей главной целью было создание на базе университета научной школы по разработке малых космических аппаратов, что мы и сделали за последние десять лет.
Как вы готовите специалистов? У них есть обязательный предмет или они выбирают это направление по желанию?
Есть и обязательный предмет, и приходят к нам на практику – работают в наших лабораториях, выполняют определенные задачи.
И четвертая миссия – коммерческая. Сейчас на рынке достаточно много компаний, которые с помощью наноспутников зарабатывают большие деньги. Приведу пример – американская компания Planet, мировой лидер по мониторингу земной поверхности. Они запустили свыше 200 своих наноспутников в космос, и с их помощью каждый день получают обновленный снимок земного шара. Эти снимки они продают другим государствам, компаниям, которые регулярно проводят мониторинг поверхности Земли.
Еще одна компания – Spire – у них тоже где-то около двухсот спутников, которые отслеживают грузопоток по всему миру в режиме реального времени, по существу
это технология IoT. Это необходимо для транснациональных логистических компаний – они хотят видеть, где находится их груз, и готовы платить за это.
И, наконец, есть компании, которые собирают метеорологические данные по земному шару и их продают гидрометеорологическим службам. Вот таким образом предприятия монетизируют свои услуги с помощью наноспутиков. Поэтому на сегодняшний день наноспутники незаменимы. То, что делает большой спутник, с тем же успехом может выполнить группа наноспутников.
Расскажите о запуске вашего второго спутника с платформыSpaceX. Как это было, как проходил этот процесс? Там требовалось ваше присутствие?
Нет, хотя можно было бы поехать. Но мы не успели. Как вообще происходит запуск? Допустим, какой-нибудь университет или частная компания хочет запустить свой наноспутник. Но они не могут писать напрямую Илону Маску, он этим не занимается. Этим занимаются компании, которых называют операторами пуска, они собирают заказы, и когда их накопится достаточное количество, обращаются в пусковые компании. А вот пусковой компанией уже является тот же самый SpaceX или PSLV в Индии.
Интеграция наноспутника «Аль-Фараби-2», Нидерланды, г. Дельфт. На фото – офис оператора пуска, который находится в Нидерландах. Мы работали с ними, поехали всей командой в город Дельфт. Для начала, спутник испытывают – он помещается в специальный контейнер, и мы наблюдаем, как он заработает, не будет ли каких-то проблем, помещается ли он в контейнер, который называется QuadPack. В QuadPack помещается несколько спутников. Когда мы запускали свой «Аль-Фараби-2», с нами было еще два спутника.
После этого контейнер закрывается, и здесь наша работа завершается. Затем оператор пуска этот контейнер везет в пусковую компанию (в нашем случае – в SpaceX), чтобы установить на ракетоносителе.
Есть. Наноспутники, как правило, работают или существуют в низкой околоземной орбите – примерно от 400 км до 700 км. Тогда как большие спутники, например, геостационарные, находятся на расстоянии 36 000 км от земли. Они отвечают за телекоммуникацию, за передачу спутникового телевидения. Это наши большие спутники KazSat 2, KazSat 3. Они фиксировано «смотрят» на одну точку и крутятся по направлению движения земли. А малые спутники облетают земной шар в среднем 15 раз в день. Конечно, есть очень много задач, которые пока не могут выполнять наноспутники – это телекоммуникации, это военные задачи, дистанционное зондирование земли (изображения, которые вы видите в Google Maps). Все это делают большие спутники. Для того, чтобы получать такие снимки, необходимо иметь огромный телескоп, которые не поместится в наноспутник просто физически.
Чем вы занимаетесь сейчас?
Поскольку мы уже запустили два спутника, научились их делать, то на сегодняшний день мы хотим передать свой опыт молодому поколению. Также мы делаем третий спутник и хотим, чтобы он был полностью отечественного производства. Уже разработали собственные платформы, подсистемы, теперь будем их тестировать, и при успешном прохождении тестирования запускать их в космос.
Возвращаясь к тому, что мы хотим делиться опытом с молодым поколением – специально для этого мы разработали конструкторы для школ и университетов. Они называются AlfaSat и сделаны по стандарту CubeSat – 10х10х10 см. В этом конструкторе есть все необходимые служебные подсистемы для того, чтобы собрать наноспутник самостоятельно. При этом, школьники или студенты работают в команде – кто-то отвечает за программирование, кто-то – за сборку, кто-то за тестирование, кто-то – за запуск. Тем самым развиваются не только hard skills, но и soft skills – работа в команде, тайм-менеджмент. Разработку конструкторов мы изначально начали в рамках гранта по коммерциализации научных результатов Фонда Науки совместно с партнёром-компанией «КазИнтерсервис».
Школьники могут даже запустить его самостоятельно?
Не в космос, конечно, это очень дорого. Они могут запустить его в стратосферу, на высоту 25-30 км. Это можно сделать с помощью гелиевого шара – спутник весом 1 кг закрепляется к шару, шар надувается гелием и поднимает его на высоту. Лопнет он как-раз таки на высоте 25-30 км. Это достаточно высоко – для сравнения, самолеты летают на высоте всего 10 км. По мере того, как шар будет подниматься, спутник будет посылать на землю сигнал, а студенты и школьники смогут сами его поймать с помощью наземной станции и проводить свои исследования. К примеру, можно подключить датчик качества воздуха, тем самым они смогут измерять качество воздуха над Алматы.
После того, как шар лопнет, спутник начнет стремительно падать. На высоте примерно 4-5 км раскроется парашют (он закреплен сверху), и наноспутник медленно продолжит спускаться на землю. Как только он спустился, он начинает подавать свой сигнал бедствия, где он находится. Школьник на своем телефоне видит местонахождение спутника, поэтому сможет подъехать к нему и забрать для следующего раза.
Они многоразовые?
Да. Мы, можно сказать, создаем новый образовательный EdTech рынок в Казахстане – обучение космическим технологиям. Этот рынок будет расти и набирать обороты, потому что количество запущенных спутников растет экспоненциально. Если в 2010 году было запущено всего 19 наноспутников по всему миру, то в этом году – уже около 500.
А сколько стоит собрать такой школьный наноспутник?
Около 500 000 тенге. Мы уже начали продавать такие наборы, недавно их у нас купили две школы. И огромное количество школ стоят на очереди.
Грант будет направлен именно на разработку и продажу школьных комплектов для сборки наноспутников?
Да, и фонд «Саби» здорово помог нам. На выделенные средства мы будем закупать комплектующие и собирать новые наборы. Часть будем передавать школам бесплатно, потому что они собраны на грантовые деньги, мы же пока что видим своей основной целью развитие этого направления, создание в учебных заведениях лабораторий и инфраструктуры для создания космических технологий. Но в дальнейшем такие наборы будут продаваться. Мы, по крайней мере, надеемся, что сможем привить школьникам интерес к космическим технологиям. Все-таки Казахстан – космическая держава, у нас есть Байконур. Просто нет специалистов. Поэтому мы решили подготовить специалистов со школьной скамьи, чтобы они поступали в крутые университеты. Чтобы в Казахстане в будущем появились свои Илоны Маски, и мы готовы вносить свою лепту в это дело.