בלעדי לאתר הידען: חשיפה ראשונה של לוויין התלמידים דוכיפת 2

רועי אורבך, אחד התלמידים המשתתף בפיתוח הלוויין דוכיפת 2 מספר את סיפורם של לווייני התלמידים הראשונים בישראל * דוכיפת 2 יהיה חלק מרשת של 50 ננו-לוויינים שגודלם 2U שיבנו על ידי אוניברסיטאות ומכוני מחקר מכל רחבי העולם. המשימה השנייה תעשה על ידי הלוויינים שייבנו- לכל לוויין תינתן משימת מחקר באחד התחומים: מדידת צפיפות פלזמה, ניסוי רב-לווייני בתקשורת, וניסוי בפינוי פסולת חלל.

הסיפור של לווייני התלמידים הראשונים

חלקכם בוודאי שמעתם כאשר לפני כשנה בדיוק שוגר הלוויין “דוכיפת 1” ששוגר לפני שנה, ב-19 ביוני 2014. דבר אשר הופיע בעיתונים, באינטרנט ובטלוויזיה. על לוויין זה, שקיבל את התארים “לוויין התלמידים האירופאי הראשון” ו-“הלוויין הזעיר הישראלי הראשון”, יש הרבה יותר מידע ממה שנכתב בכתבות השונות אשר נכתבו עליו בזמן ואחרי שיגורו. בכתבה זו אסכם את המידע על דוכיפת 1, דוכיפת 2 והפרויקט עצמו, בתור תלמיד בפרויקט.

דוכיפת הינו לוויין מסוג לוויין קובייה (CubeSat), סוג לוויינים קטנים בצורת קובייה, כאשר גודל דוכיפת הוא  10X10X10ס”מ, או U1 במונחים של לווייני קובייה. לדוכיפת כמה מטרות: מטרה חינוכית, לפעול כלוויין חובבי רדיו, בדיקת אפשרות בניית הלוויינים על ידי תלמידים ושימוש כלוויין חיפוש והצלה, משימות אליהן אפרט בהמשך.

הרעיון לבנות את לוויין התלמידים הראשון דוכיפת 1 החל בשנת 2003, כאשר ד”ר אנה הלר, שראתה בילדים ונוער, את דור העתיד, יזמה פרויקט שבמהלכו התלמידים יתכננו ויבנו לוויין. לאחר שהושגו מקום עבודה ומימון, החלה העבודה על רכיבי הלוויין והמחקר המעשי.

במסגרת הפרויקט, שנחשב לתלמידים בתור פרויקט גמר במדעי הנדסה, התלמידים התחלקו לצוותי עבודה, בהתאם לתחומי האחריות בלוויין – תקשורת, מערכת החשמל, בקרת הכוון, תוכנה, בקרת חום, הנדסת מערכת ועוד, כאשר לכל קבוצה הותאם מדריך מקצועי אשר הוביל את צוות התלמידים בעזרת מתן משימות ועזרה בעת צורך.

כפי שכתבתי, לדוכיפת כמה משימות: המשימה החינוכית של הלוויין הינה לימוד תלמידים על בניית לוויין ועל תקשורת עם לוויינים. המשימה הבאה הינה פעילותו כלוויין חובבות רדיו- תחביב שבמסגרתו אנשים בכל רחבי העולם מדברים בעזרת קשרי רדיו, כאשר דוכיפת יעזור להם יצור קשר אחד עם השני. דוכיפת קולט תדרים של חובבי רדיו שמכוונים אליו, ומכוון אותם הלאה, ועל ידי כך מאפשר קשרים טובים יותר בין חובבי רדיו באזורים אחרים בעולם. המשימה השלישית, שדי מסבירה את עצמה, הינה לנסות את הנושא של בניית לוויין על ידי תלמידים, והמשימה האחרונה של הלוויין הינה המשימה הראשית – דוכיפת ישמש בתור לוויין חיפוש והצלת מטיילים אבודים וניסוי פרוטוקול התקשורת הניסיוני

APRS (Automatic Packet Reporting System), פרוטוקול שבאמצעותו ניתן להעביר מיקום והודעות בגלי הרדיו.

מסלולו של דוכיפת, אשר מותאם למשימתו, עובר בין קוטבי כדוה”א בתחום הגבהים שנחשבים מסלול לווייני נמוך, גובה של כ-600 קילומטר. בגלל מאפייני מסלולו, דוכיפת עובר בכל מקום בכדור הארץ פעמיים ביום בהבדל של כשעה וחצי בין המעבר הראשון לשני תכונה העוזרת למשימתו. דוכיפת אוגר מכל נקודה שבאזור הקליטה שלו אותות מצוקה ביחד עם נקודות הציון שממנה נקלט האות, שומר את המידע יממה אחת וכאשר הוא עובר מעל תחנת קרקע הוא שולח את האות ואנשי התחנה מעבירים את המידע לשירותי הצלה של האזור המדובר, ובכך עוזרים להצלת חייו של המטייל האבוד. אם הלוויין לא עובר מעל תחנה תוך עשרים וארבעה שעות, הוא ימחק את האות מכוון שהוא יעבור במהרה באזור בו נקלט האות והוא יוכל לקבל מידע יותר מעודכן על מיקום המטייל. אות המצוקה שדוכיפת קולט משודר ממקלט נייד, מכשיר אשר לא דורש קליטה סלולרית ולכן מאפשר הצלה גם באזורים אשר בהם היא חלשה או חסרה.

במהלך עשר השנים לאחר התחלת הפרויקט נבנתה במרכז המדעים בהרצליה ,המנוהל על ידי דר’ מאיר אריאל אשר עזר ותמך בהחלטות הקשורות ללוויין, מעבדת חלל ייעודית לתכנון ולפיתוח לוויין דוכיפת 1, בעזרת אגודת חובבי הרדיו הישראלית. במעבדה עבדו תלמידי הפרויקט על מספר דברים, בין השאר הם הכשירו “חדר נקי”- חדר עם מערכת לחץ שדואגת לכמות מזערית של אבק ולחות, דבר שלקח הרבה עבודה כדי לעמוד בתקנים על מנת שבזמן הרכבה רכיבי הלוויין לא יפגעו. כמו כן עבדו התלמידים על הכנת תחנת קרקע לתקשורת עם לוויינים , בעזרתם של חובבי הרדיו. תחנת קרקע היא בעצם חדר הכולל בתוכו מקמ”שים (מקלט ומשדר) ומכשירים המאפשרים מעקב ותקשורת עם לוויינים בחלל בעזרת אנטנות.  בתחנת הקרקע גם בדקו את מערכת התקשורת של הלוויין אינקליין, לוויין של העמותה הישראלית ללוויינות זעירה, והתחנה גם משומשת לתחביב חובבות הרדיו, תחביב במהלכו אנשים מכל העולם מדברים אחד עם השני בעזרת תדרי רדיו כאשר הם משתמשים באנטנות ולוויינים על מנת לשפר את הקשר ביניהם. בתחנת הקרקע, תלמידי הפרויקט קולטים את הלוויין פעמיים ביום ואוגרים את המידע שנאסף. בנוסף, לאחרונה נפתח הלוויין לתקשורת עם חובבי רדיו על מנת לבדוק את תפקודו.

לאחר שסיימו את בניית והרכבת המעבדה, תלמידי הפרויקט עבדו על תוכנות אשר הקלו את התקשורת עם הלוויין העתידי מהקרקע ועבדו על תפקודו וניהולו.  בנוסף, בתחנה הבנויה תקשרו התלמידים עם לוויינים על מנת ללמוד על תקשורת לוויינים, כאשר במהלך פעולות אלו תקשרו עם לווייני חובבי רדיו, מזג אוויר ומחקר, ואפילו חדשו את הקשר עם לוויין הטכניון שנחשב לא פעיל, techsat-1.

באוקטובר 2013 החלה העבודה על הרכבת הלוויין בפועל כאשר בסיום ההרכבה התוכנה נצרבה בלוויין והחלו הבדיקות שלה. כאשר כל בדיקות התוכנה נעשו נשלח הלוויין לבדיקות נוספות- ואקום, פריסת אנטנות, הרעדה, שינויי טמפרטורה ועוד. לבסוף נשלח להולנד לשם בדיקות אחרונות והכנסה לתא ממנו יפלט לחלל מן הטיל- כאשר אליו התלוו נציגי הפרויקט לקראת השיגור.

לאחר ששוגר דוכיפת 1  בהצלחה בתאריך 19.7.14, בשיגור ששבר את שיא השיגור עם כמות הלוויינים הכי גדולה – יחד עם עוד 36 לוויינים מכל העולם, הוא תפס את מקומו בתור לוויין התלמידים השני בעולם – ולוויין התלמידים האירופאי הראשון. זה היה רגע מרגש, שסיכם יותר מעשור של עבודה קשה ועבודה בלתי פוסקת של מייסדת הפרויקט ד”ר אנה הלר, ראש מרכז המדעים ד”ר מאיר אריאל ועוד הרבה אנשים שתרמו בדרך-ביניהם תלמידי העבר וההווה של הפרויקט, אשר חלקם לא זכו לראות את הוצאת הלוויין לפועל.

כבר במהלך בניית דוכיפת 1 הצוות שלו הכין ושלח טפסים על מנת להשתתף בפרויקט אירופאי בשם “QB50”, טפסים אשר עברו את הסינון ונתנו לפרויקט את האור הירוק להתחיל את בניית דוכיפת 2, עליו אפרט עכשיו.

דוכיפת 2 הוא חלק מפרויקט “QB50”, פרויקט שלו כמה מטרות. מטרה אחת הינה לבדוק את האפשרות לשגר רשת של 50 ננו-לוויינים שגודלם 2U שיבנו על ידי אוניברסיטאות ומכוני מחקר מכל רחבי העולם. המשימה השנייה תעשה על ידי הלוויינים שייבנו- לכל לוויין תינתן משימה אחת מתוך ארבע משימות מחקר בשכבה הנמוכה של הטרמוספירה, היונוספירה, שכבה שגובהה בערך 300 קילומטר. שכבה זו גבוהה מדי לבלוני מחקר, שלא מגיעים לגבהים האלו, אבל לוויינים שמקיפים את כדוה”א בשכבה הזו מנמיכים תמידית עד שהם מתרסקים אחרי חודשים ספורים, ולכן היא לא נחקרה בעבר. לאחרונה, עם התקדמות ומזעור הטכנולוגיה וטכנולוגית הלוויינים הזעירים והקיובסאטים בפרט, החליטו בסוכנות החלל האירופאית שבמקום לשלוח לוויין גדול שעולה הרבה מאוד להרכיב, לתכנן ולשגר הם ישלחו 50 ללוויינים זעירים שגם יחקרו ביחד יותר שטח, גם עולים פחות וגם קלים לשיגור ביחס ללוויין גדול- כך התחיל פרויקט “QB50″ .

לאחר שנבדקו הפרטים של המועמדים נבחרו קרוב ל-50 מכוני מחקר ואוניברסיטאות כאשר יש רק נציגות ישראלית אחת, שגם תפסה את מקומה בתור הקבוצה היחידה שבה המהנדסים הם תלמידי תיכון- קבוצת מרכז המדעים. הקבוצה של דוכיפת 2 מורכבת מכמה קבוצות קטנות יותר, אשר נוספו לאחר דוכיפת 1 על מנת לקרב מדע לקבוצות מאזור מהפריפריה . קבוצות אלו עובדות על חלקים שונים בלוויין- בניית מרכז בקרה, בקרת הכוון, הנדסת מערכת ועוד.

יחד עם כל השינויים והתחלת העבודה, גם לאחר שיגור דוכיפת 1 לא היה זמן לנוח והתחלנו לעבוד על האתגר – לבנות לוויין מדעי ומחקרי ברמה גבוהה בתקופת זמן של פחות משנה.

המשימה שנבחרה לדוכיפת 2 (או”Hoopoe”  באנגלית, על שם התרגום של דוכיפת לאנגלית) הינה חקירת צפיפות הפלזמה בשכבת הטרמוספירה הנמוכה. הוא יתחיל מגובה של כ-380 קילומטר ויצנח, כאשר לאחר בערך תשעה חודשים הוא יגיע לגובה נמוך ויתכלה באטמוספירה. משימה נוספת של הצוות, אשר ניתנה לכל הצוותים המשתתפים בפרויקט, הינה לאיסוף מידע מכמה לוויינים, ביניהם הלוויין שלה, ושליחתו לסוכנות החלל האירופאית.

בין דוכיפת 1 לדוכיפת 2 ישנם הרבה מאוד הבדלים. ההבדל הבולט ביותר הוא הגודל- דוכיפת 2, לוויין קובייה של  2u, גדול פי שתיים מדוכיפת 1, ולכן הוא דורש מערכת בקרת חום, בשונה מדוכיפת 1. בנוסף, בניגוד לדוכיפת 1 שנע בלי שליטה בתנועת סחרור, בגלל החיישנים שמבצעים את המחקר שלו

(בדיקת לנגמיר מרובת מחטים-Multi-Needle Langmuir Probe ) לוויין דוכיפת 2 נדרש לשמור על כיוון החיישנים עם כיוון התנועה, על מנת שהמטען הייעודי  יבצע את הבדיקות בצורה הטובה ביותר – דבר הדורש מערכת בקרת הכוון. הבעיה במערכת הכוון היא שאין מנועים לגודל כזה של לוויינים לכן משתמשים במכשירים שמיישרים את הלוויין לפי השדה המגנטי של כדוה”א ובעזרת זה מסובבים את הלוויין – דבר הדורש חישובים פיזיקליים מסובכים והרבה עבודה.

הלוויין מתוכנן להיות משוגר בפברואר 2016, יחד עם שאר הלוויינים של הפרויקט האירופאי . העבודה על דוכיפת 2 כבר בעיצומה- צוות תחנת הקרקע כבר עובד על תוכנות תקשורת עם הלוויין, צוות החדר הנקי מכין את החדר הנקי להגעת הרכיבים ומטהר אותו ושאר הצוותים כגון בקרת חום, בקרת חשמל, בקרת הכוון ותוכנה כבר עובדים על המדע שמאחורי הלוויין ופתירת הבעיות שעולות במהלך בנייתו.

מנהל מרכז המדעים בהרצליה: ילדים בני 16 מסוגלים לבצע מחקר ופיתוח מתקדם

מאת אבי בליזובסקי

ד”ר מאיר אריאל, מנהל מרכז המדעים בהרצליה.  הציג את פרוייקט דוכיפת 2 לפני כשבועיים בכנס הרצליה.

בתחילה הוא תיאר את תהליך הסינון העצמי של התלמידים והוסיף כי המוכשרים מביניהם הופכים להיות חברים במעבדת הלוויינים והחלל ומשתתפים בפועל בבניית לוויין בעצם המהות של הפרויקט היא תהליכי מחקר ופיתוח, אנליזות, סימולציות, בדיקות ואפילו פיתוח עסקי ויחסי ציבור בצורה מאוד דומה למה שמתבצע בתעשיה.

מה שמעניין בחלל והופך אותו למלהיב הוא היותו מולטידיספלינרי ומאגד תחומי ידע רבים – פיזיקה ואסטרופיזיקה, תקשורת, מכניקה ובקרה, תרמודינמיקה הנדסת חשמל ומדעי המחשב. המגוון של התחומים מאפשר לכל תלמיד ותלמידה לבחור נושא שקרוב לליבם, להמתקד בו, ללמוד אותו על בוריו ולעשות עבודת חקר משמעותית בתחום הזה. התלמידים לא עושים מחקר כללי. הם בוחרים לעצמם איזושהי תת מערכת בלוויין ומתמקדים בה. ילד שהתחיל את הפרויקט בכיתה ט, בדרך כלל מגיע לשיאו בכיתה י’ ילדים צעירים ומוכשרים לא צריכים יותר מחצי שנה-שנה על מנת להגיע לשיא. יש המון אלגוריתמים לבקרת חשמל, ללוגיקה מוטסת, פרוטוקולים לתקשורת לוויינית שהם חלק מהמערכת המוטסת של הלוויין וילדים בני 16 פיתחו את זה.

הפרויקט הגיע והבשיל לשיגור לוויין – דוכיפת 1 – הלוויין הזעיר הישראלי הראשון והלוווין האירופי הראשון שתוכנן ונבנה על ידי תלמידי תיכון.

דוכיפת 1 הוא לוויין חיפוש והצלה מן החלל ופלטפורמה פדגוגית ייחודית לקידום החינוך המדעי בישראל. הוא שוגר ב-19 ביוני 2014 מרוסיה. הלוויין הקטנצ’יק הזה (מרים בידו את העתקו) מקיף את כדור הארץ מדי 90 דקות, כל המערכות פועלות כסדרן ואין שום שחיקה בביצועים. ומי שצריך הוכחה – זו הוכחה לעבודת המחקר והפיתוח האיכותית שילדים בני 15-16 יכולים להוציא.

כהדגמה להבדלים בסדרי הגודל בין הלוויינים שבונה התעשייה האווירית ללויין הזעיר- הוא נבלע הן בתא הוואקום והן על משטח בדיקות ההרעדה ואלו המתקנים הקטנים ביותר האפשריים – היה צורך להתאים מערכת שבדרך כלל מבצעת בדיקות הרעדה ללוויינים במשקל כמה טונות כדי לנסות לוויין של 860 גרם.

זה ממחיש את העובדה שאין בישראל תשתית אזרחית שמיועדת לתמוך באקדמיה, במערכת החינוך, במרכזים מדעיים וגם בחברות קטנות.

כדי לאפשר פרויקט חינוכי התעשיה האווירית היתה צריכה להשבית מחצית מהחדר הנקי.

דוכיפת 2 הוא לוויין זעיר מדעי לחקר החלל הקרוב. הוא יהיה לווין מדעי יותר מתוחכם, הוא חלק מתוכנית כלל אירופית הכוללת: מדידת צפיפות פלזמה, ניסוי רב-לווייני בתקשורת, וניסוי בפינוי פסולת חלל. הוא ישוגר על ידי סוכנות החלל האירופית.

מכיוון שהנושא כל כך מאתגר חשבנו בעיריית הרצליה ביחד עם משרד המדע, להוציא אותו מתוך הבועה הצפנובונית ולתת הזדמנות גם לתלמידי הפריפריה המוכשרים לא פחות מילדי הרצליה. לשם כך פתחנו חמישה מרכזי מחקר ופיתוח בפריפריה: מרכז באופקים שיעסוק בפיתוח המערכת, מרכז בירוחם שיעסוק בתכנון המכאני, בית ספר לבנות מהיישוב עופרה (בקרת הכוון), בית הספר למדעים של הפזורה הבדואית בעאהד – שליטה ובקרה, וכמובן המרכז למדעים בהצליה שיהיה אחראי על מערכת ההפעלה, תקשורת והמטע”ד.

כעת עובדים מאה תלמידים מחוננים בצוותא על הפרויקט, חלקן הגדול בנות, חלקן בנות אולפנה מהחינוך הדתי ובדואים – יהודים מוסלמים, דתיים וחילוניים, כולם עובדים יחד בצוות אחד בהרמוניה למען מטרה משותפת. זה יוצר גאווה לתלמידים, להורים, למורים, בתחושת ההישג.

גלריית תמונות

עוד בנושא באתר הידען:
לוויין התלמידים דוכיפת 1 שוגר בהצלחה מרוסיה

מנהל המערכת של לוויין התלמידים דוכיפת 1 מידד פריינטא: הלוויין עובד באופן מושלם * יונתן ויינטראוב, SpaceIL: פרויקטים כאלה מעודדים לימודי מדעים והנדסה
החלל החדש ממריא: הנדסת חלל בעידן ה-NEW SPACE, פרופ’ חיים אשד