Rymdäventyr på Teknis

Jörgen Städje
1 år sedan

Kungliga Tekniska Högskolan i Stockholm är stället där saker händer. Satelliter och raketer byggs och elektronik för det extrema klimatet på planeten Venus utvecklas.

Visst, det händer skojiga saker på Chalmers också, med halvledartillverkning och kvantdatorer. För att inte tala om Råö-teleskopet. Det händer roliga saker i Lund också, som Max-acceleratorerna och neutronstrålaren ESS. Över huvud taget är Sverige ett fantastiskt teknikland, som bara har ett problem: vanligt folk är inte intresserade av tung teknik längre. Kanske den här artikeln kan ändra på det, när du får se hur mycket fantastisk teknik det bara sprutar fram på KTH.

KTH Rymdcenter

Vi tar en rundtur i denna teknikens högborg och vem är bättre att leda oss runt och fingra på allt, än Christer Fuglesang. Han är inte bara astronaut utan även professor i rymdfart och föreståndare för KTH Rymdcenter och kan en hel massa om ultra-högenergetisk kosmisk strålning.

När Christer kom till KTH som adjungerad professor för tio år sedan fick han i uppdrag att samla all rymdverksamhet under en hatt, hålla ihop allt som har med rymden att göra och hitta synergier. Rymdverksamhet kan vara väldigt många olika saker, som forskning kring vad som händer i rymden, skicka upp satelliter som tittar ned på Jorden eller utveckla teknik som kan användas i rymden.

Rymdcentret fick år 2016 pengar för att bygga upp ett rymdtekniklaboratorium som ska användas för att testa utrustning som ska skickas upp i rymden, med vakuumkammare, skakbord, klimatkammare med mera, för att KTHs forskare ska kunna testa sina experiment. Även industrin och forskare från andra universitet får låna utrustningen för sina tester.

Det andra stora projektet är studentsatellitprojektet MIST (MIniature STudent satellite), som leds av forskaren Sven Grahn.

Till detta kommer olika REXUS-projekt (Rocket Experiment for University Students) med raketer som ska skjutas upp från Esrange.

Man undersöker vilka nya kurser i mekanik och elektronik som behövs för att förbereda studenterna för rymdindustrins krav.

KTH är också ledande inom ESERO (European Space Education Resource Office) som är ett ESA-projekt som i nära samarbete med Tekniska Museet vänder sig till skollärare, allt från första klass och upp till gymnasiet, och tar fram läromedel som ska inspirera till förståelse för och användning av rymden. ESERO vill ta in rymden i klassrummet, som man själva påstår. Bland annat har professor Carl-Mikael Zetterling på KTH utvecklat en kurs i satellitbygge för gymnasielärare där studenterna får bygga egna småsatelliter, lära sig om radiokommunikation, sensorer mm.

För att visa upp det faktum att KTH har ett rymdcentrum håller man regelbundna halvdagsseminarier kallade KTH Space Rendezvous dit hela rymd-sverige bjuds in. Till detta kommer att man år 2015 också anordnat den globala astronautkonferensen. Det blev uppemot 100 astronauter.

Arbetsmarknaden

Det examineras ut ungefär 100 studenter på master-nivå varje år och det visar sig att det finns ett ganska stort behov av svenska rymdstudenter på arbetsmarknaden, till exempel hos SSC (Svenska Rymdbolaget), OHB Sweden, ÅAC (Ångströmslaboratoriet) i Uppsala, GKN, Ruag och SAAB. Allt eftersom rymdteknik faller i pris blir allt flera företag intresserade av rymdverksamhet (inte minst de stora i USA, som till exempel SpaceX, men även i Europa). Tyska OHB har exempelvis växt 3-4 gånger på 20 år och de har behov av en aldrig sinande ström av nyutexaminerade rymdstudenter. Även Svenska Rymdbolaget, som driver både Esrange och ett nät av satellitstationer Jorden runt, växer och behöver folk.

Rymd- och plasmafysik

Nickolay Ivchenko är universitetslektor vid Institutionen för Rymd- och plasmafysik, alltså allt som har med elektrisk ström som flyter genom rymden att göra. Bland allt det skojiga som sker på den institutionen undersöker man norrsken genom att skicka upp satelliter för att försöka förstå hur norrskenet fungerar.

Visst kom norrmannen Kristian Birkeland på att norrskenet var ett elektriskt fenomen redan när han byggde sin terella (en modell av Jorden i rymden) år 1895 och kunde påvisa att det var Jordens magnetfält som styrde norrskenet och hur de högenergetiska partiklarna från Solen beter sig när de slår in i atmosfären. I stora drag vet man hur det fungerar, men norrskensforskning är fortfarande högintressant.

Norrskenet uppstår när högenergetiska partiklar, som elektroner och protoner som slungas ut från solens massutkastningar når Jorden, sugs in i det jordmagnetiska fältet och störtar ned genom atmosfären. Där joniserar partiklarna syre- och kvävemolekyler, som strålar grönt, respektive rött när de återtar sitt ursprungliga energitillstånd. Men partiklarna kommer i stora mjuka moln från Solen, inte som långa svajande gardiner eller strålar. Så hur uppstår gardinerna?

Det ska man ta reda på. KTH-forskarna försöker reda ut det med hjälp av satelliter som far igenom norrskenen och mäter in-situ. Men strukturerna i rymden är komplexa, så det duger inte att bara flyga runt med en enda satellit, för då får man inget sammanhang. Därför skickar KTH upp klungor av satelliter som kan visa på sammanhanget över ett större område.

Både NASA och ESA forskar kring norrsken med sina satellitgrupper Cluster respektive MMS (Magnetospheric Multiscale) och KTH har varit med om att leverera instrument som mäter elektriska fält till de båda organisationerna, i form av sk Langmuirprobar, mätkroppar som sitter låga ledningar och kan viras ut i rymden från satelliten.

Läs för övrigt allt om Langmuirprobar här, och om ESA:s rymdsond JUICE (Jupiter Icy Moons Explorer) som lyfte i mars 2023 och ska gå i bana runt Jupiter och analysera Jupiters månar och deras magnetfält och resulterande norrsken, i mitt reportage från IRF i Uppsala: https://www.teknikaliteter.se/2023/04/14/juice-med-voltmatare-i-varldsrymden/

Platt-sat

Det är viktigt att studenterna får prova på att skapa riktig rymdutrustning. Därför skickar man upp två raketer varje år från Esrange, som kan innehålla uppåt sju olika experiment vardera, från universitet i olika europeiska länder. Uppskjutningarna i REXUS-programmet stöds av både svenska och tyska rymdstyrelserna och ESA Education Office.

Hur bär man sig åt för att utveckla en satellit? MIST utvecklas enligt råttbo-metoden, med all elektronik utspridd på ett bord. Men var inte orolig, proffsen gör på samma sätt.

Studentsatelliten MIST (MIniature STudent satellite)

Fast den prototyp som visas på bilden ovan går inte att skjuta upp i rymden. Denna koppling används för elektronikutveckling, provning av programvara, experiment med temperaturreglering och radiokommunikation etc.

Sen, när man fått allt att fungera gör man om det på ett antal fyrkantiga kretskort som blir 10×10 centimeter och bygger in dem i ett metallchassi.

Här visar Christer Fuglesang ett exempel på chassit till en tremodulers Cube-sat. Yttermåtten är 10×10 centimeter och längden är 30 centimeter. Cube-sat är en standardiserad formfaktor som flera olika uppskjutningsföretag kan hantera, gärna i stora antal i samma raket. Allt ska rymmas i chassit: kretskort, radiosändare, batterier, mätutrustning, hopfällda antenner och solceller.

Väl ute i rymden lossar man en hake i bärraketen och – sproing – så skjuter en fjäder ut hela svärmar av småsatelliter.

Ute i friheten vecklar satelliten själv ut solceller och antenner.

Raketen som hittar hem

Skjuta upp stratosfärraketer är bra, men att få tag i nyttolasten efteråt på ett kostnadseffektivt sätt är ännu bättre. Doktoranden Sophia Wolters jobbar med Boomerang-projektet, en modul som är avsedd att flygas i en REXUS-raket eller BEXUS-ballong som skickats upp från Esrange. Programmet finansieras bilateralt mellan Tyskland och Sverige.

Det är inte bara SpaceX som landar raketer på Jorden när de brunnit färdigt. När man skjutit en sondraket från Esrange med något experiment, gäller det att hitta den när den fallit ned till Jorden igen. Visst, den faller ned inom skjutområdet, men det är mer än 100 kilometer långt och att leta upp nyttolast och fallskärm med helikopter är dyrt. Då vore det bättre och billigare om nyttolasten kunde återvända för egen maskin. Och det kan den.

Boomerang-projektet syftar till få nyttolasten från uppskjutna sondraketer att flyga tillbaka till startplattan vid Esrange av sig själv.

Sophia visar upp en demonstrationsmodell av en modul som ska bli en del av en REXUS-raket. Fallskärmen i bakgrunden ryms faktiskt i hålrummen i modulen och den lilla motor som drar i styrlinorna simuleras av den blå modulen i mitten. Den vita plattan är datorkortet och navigationsmottagaren. Fallskärmen är en exakt skalmodell av en paraglider-skärm som används av mänskliga flygare.

Egentligen är det två moduler, varav vi bara ser fallskärmsmodulen. I denna lilla platta modul får man in både hopfälld fallskärm och mekanismer för att fälla ut den och styra den. Modulen med stabiliserande vingar är inte med på bilden. Givetvis flyger den inte ensam, utan sitter monterad på de experimentmoduler som övriga studenter byggt, som är de som ska transporteras tillbaka till Esrange.

När raketen kommit lagom högt upp i stratosfären, ungefär 90 kilometer, delar den sig och nyttolasten separerar och utför sina mätningar. Efter att det hela nått toppen av parabelbanan börjar återinträdet. Då sprätter det till i Boomerang-modulen och ett lock skjuts av så att vingarna kan fällas ut och börja stabilisera (detumbling) modulen. När det är färdigt släpper man loss delen med vingarna och den drar med sig den styrbara fallskärmen (glider deployment). Fallskärmen fylls med luft av fartvinden och får formen av en flygplansvinge, och genom att dra i linor ytterst i vingens ändar kan man styra den i sidled. Modulen navigerar efter GPS, drar i fallskärmen och styr modulens färd tillbaka till Esrange. Billigt och gratis.

The Control Room

Nej, det är inte Houston.

Kommunikationen med MIST-satelliterna som skjuts upp från Esrange sköts från ett rum på KTH. I fönstret ser du koaxialkabeln som går från mottagarna och upp till antennerna på taket.

Titta in i min lilla kajuta

Hälften av allt det skojiga finns emellertid på Albanova. Det är här som rymdtekniklaboratoriet som användas för att testa utrustning som ska skickas upp i rymden finns. Vi går raskt ned i källaren och hamnar hos den stora vakuumkammaren.

Experimentmoduler som skjuts upp i rymden utsätts för stora krafter, vakuum osv, vilket måste simuleras under utvecklingsarbetet för att man ska kunna veta att modulerna faktiskt kommer att hålla. Ett misslyckande kan bli dyrt.

Här visar Christer den stora högvakuumkammaren där man kan prova satelliter och satellitdelar under rymdliknande förhållanden. Det är kallt i rymden, så kammaren kan simulera temperaturer ända ned till minus 150 grader. Ja, och plus 150 grader också.

Vid uppskjutningen uppstår väldiga stötkrafter, som elektronik och mekanik måste klara utan att brytas sönder. Här syns en elektronikmodul fastspänd på ett stötbord. Plattan överst ligger någorlunda löst och i den mörkgrå modulen till vänster sätter man in ett pistolskott (ett magasin visas ovanpå elektronikmodulen) och fyrar av, varvid plattan utsätts för en stöt på 1000 G. Det ska tekniken klara.

Nå, det är ändå inte så mycket. En elektronikutrustad granat som skjuts ur exempelvis haubitsen Archer utsätts för 8000 G och ska överleva detta, kunna fälla ut vingar och navigera mot målet med GPS.

Studenterna skickar inte bara upp raketer. Esrange har en stor startplatta för stratosfärballonger också. Ballonglasten måste provas för stratosfärsförhållanden, med lufttryck ned till 0,1 millibar. Det sker i den här lågvakuumkammaren.

Övriga teknikstinna institutioner

Just den här artikeln handlade om rymdäventyr. Givetvis finns det betydligt flera tekniska sektioner vid KTH, som vi ska be att få återkomma till.

Institutionen för partikel- och astropartikelfysik studerar materiens innersta beskaffenhet genom högenergetiska proton-proton kollisioner vid LHC vid CERN och studerar extrema fenomen i universum med hjälp av röntgen och gamma-strålningsinstrument. Eller varför inte neutriner?

Institutionen för elektronik ägnar sig åt det senaste inom elektronik och halvledarutveckling. Du kanske inte visste att Sverige, och främst svenska universitet och högskolor, är världsledande på halvledarutveckling? Vid KTH i Kista finns Electrumlab, ett renrum där man experimenterar med nya metoder för halvledare, som kiselkarbid och grafen. Det var även där elektroniken i venusprojektet utvecklades.