Zkoumání vesmíru zajistí minisondy o velikosti čipu

Karel Javůrek  |  Vesmír

Létání do vesmíru je drahé. Jednou z možných cest je využít miniaturní sondy – čipy s hmotností několika miligramů. Zaplavíme jimi vesmír?

Díky velkému výpočetnímu výkonu si můžeme dovolit zpracovávat stále více dat a hledat potřebné informace, které nám mohou pomoci k odpovědím. Jedním z nadějných projektů je Sprite. Je to první „spacecraft-on-a-chip“ – neboli kosmická loď na čipu. Více než o kosmickou loď se však jedná o sondu.

Sprite ve fázi prototypu

Nápad miniaturního vesmírného zařízení, které dostalo přezdívku „chytrý prach“ není nový. Již před patnácti lety si vědci uvědomili, jak je výroba malých křemíkových čipů levná. Nyní jsme se dostali do stádia, kdy je všechno potřebné umíme vyrobit. Čip se solárními články, integrovanými obvody, senzory a dalšími částmi je dostupný, a navíc ve velkém množství.

Vlevo je prototyp, který se nyní nachází na ISS. Vpravo vidíte finální verze sondy, která je zatím ještě ve vývoji. Zdroj: Cornell University
Vlevo je prototyp, který se nyní nachází na ISS. Vpravo vidíte finální verze sondy, která je zatím ještě ve vývoji. Zdroj: Cornell University

Student Justin Atchison z Cornellovy univerzity se v roce 2005 rozhodl takovou sondu vyrobit. Projekt pojmenoval „Sprite“ a cílem bylo vytvořit všechno, co jednoduchá sonda potřebuje, na velmi malém prostoru jednoho čtverečního centimetru.

Po několika letech práce se dostavil první velký úspěch. Prototyp čipu byl ve třech exemplářích dopraven na ISS. V boxu připevněném ke stanici je přímo vystaven vesmírnému záření a náročným podmínkám. Jedním z hlavních hledisek pro dlouhodobější fungování ve vesmírných podmínkách je totiž dostatečná odolnost.

Technologie v miligramech

Prototypy sondy Sprite mají hmotnost pouze deset gramů. U budoucích verzí se počítá s ještě mnohem menší hmotností kolem 5 až 50 miligramů. Čip je tvořen vysoce efektivními solárními články, které napájí polovodičový substrát v podobě tenké baterie (Thin-film). Obsahuje dále jednoduchý mikroprocesor, vysílač, zesilovač, místo pro dodatečnou měřicí technologii (CMOS, chemické senzory, základní spektrometry a podobně) a spínač.

Čip se stará o jednoduché vyslání radiového signálu vždy po nabití. Dle zdroje světla, v našem případě natočení na Slunce, se baterie pomocí solárních článků baterie nabije a spínač okamžitě vyšle krátký signál s malým množstvím zakódovaných dat z konkrétního senzoru.

Energie je ale velmi málo, kondenzátor uchová pouze jeden mikrojoule. Stowattovou žárovku by dokázala napájet pouhých deset nanosekund. Je však možné vyslat slabý elektromagnetický impuls (u prototypů na zkušební frekvenci 902 MHz), který je výrazně slabší než šum, který lze přijímat ze Slunce či Země. V tomto krátkém „pípnutí“ je možné zakódovat i natočení čipu ke Slunci, které se měří dle doby potřebné k nabití kondenzátoru.

Pro zachycení tak slabého signálu se používá upravená technologie CDMA, kterou známe z mobilních sítí nebo GPS. Každý bit generovaného signálu je konvertován do takzvaných m-sekvencí (změna časování nebo fáze), díky čemuž ho lze mnohem snadněji v obrovském šumu zachytit. Každá ze sond bude mít trochu jiné nastavení, takže je bude možné od sebe rozeznat. Jejich počet ale bude obrovský.

Miliony sond pro měření

Celková hmotnost milionu takových sond je pouhých 50 kilogramů, což znamená mnohem menší náklady na vyslání do vesmíru. O nízké ceně výroby samotných čipů jsme již mluvili – v případě milionu sond jde stále o menší náklady, než v případě jednoho klasického satelitu.

Aby mělo vyslání velkého počtu miniaturních sond smysl, musí být dostatečně odolné proti vysoce energetickým částicím, extrémním změnám teplot nebo například mikrometeoritům.

Jednou z možností, jak je sondy využít, je například měření magnetického pole Země či částic ze Slunce. Nebo obecně pro „vesmírně počasí“, které je důležité nejen pro Zemi, ale i pro naše vesmírná zařízení. Díky signálům a dat z velkého množství sond je možné získat přesný trojrozměrný obraz stavu důležitých parametrů části vesmíru.

Vesmírné cestování mraku sond

Sondy mají slabé vysílače, takže spolu nemohou navzájem komunikovat na velkou vzdálenost. Pokud by se však takové typy sond podařilo vyrobit, mohlo by to být řešení, jak nechat cestovat propojený systém skrze naši soustavu (Meziplanetární transportní síť), i mimo ni.

Meziplanetární transportní síť
Meziplanetární transportní síť

Sondy by díky Slunečním větrům a gravitačním polím jednotlivých planet postupně zrychlovaly. Plynuly by prostorem jako shluk prachových částic ve větrném proudu.

S využitím Lorentzovy síly lze magnetické pole Jupiteru, které je 20 000× silnější než u naší Země, proměnit v jednoduchý urychlovač částic. Nabitá sonda využije elektromagnetických jevů. Po akceleraci na stovky či tisíce kilometrů za sekundu magnetické pole opustí a může cestovat dále. Další informace o fyzikálních procesech, kterých sonda využívá, najdete v článku na webu Ieee Spectrum.

S touto rychlostí by se sonda k nejbližší hvězdné soustavě Alpha Centauri dostala za několik stovek let. To je sice dlouhá doba, ale vzhledem k současným možnostem je to velmi rychlé. Cestování však nemusí končit jen u nejbližší hvězdné soustavy, ale může pokračovat například dalšími a uskutečnit tak mezihvězdné lety. I když bez lidské posádky.

Naše technologie se tak mohou dostat do míst, kde se možná lidstvo nikdy neobjeví. Ale zatím se nejedná o dostatečně pokročilou a soběstačnou technologii, která by byla schopna například rozvinout život na kompatibilních planetách.

Nejčtenější