“החלל החדש” ממריא: הנדסת חלל בעידן ה-New Space

הפיתוחים הטלפונים החכמים, ננו-רובוטים, מיחשוב לביש ועוד, מתחילים להשפיע גם על תחום הנדסת החלל ומאפשרים כניסה של חברות קטנות ואזרחיות לתחום* הכתבה התפרסמה בגליון יוני 2015 של כתב העת המדעי לילדים “ראש גדול”

פני ההנדסה לאן

בראשית ימי ההנדסה האזרחית, שעסקה במבנים, גשרים, תשתיות אספקת מים, תכנון מכונות, מנועים וכדומה, שלטו בכיפה חוקי הפיזיקה היום-יומיים ובמיוחד כוח הכבידה, שנדמה היה שיכבול את רגלינו לפני כדור הארץ עד לאחרית הדורות. מאז זרמו מים רבים בנהרות, עידן התעופה הוכיח לנו שהשמיים הם הגבול ולאחריו עידן החלל הוכיח שהשמיים הם רק הגבול התחתון. למדנו כיצד לרתום את כוח הכבידה דווקא לצורך יציאה מתחומי כדור הארץ וכך הצלחנו לשלוח את הלוויינים הראשונים, כיום לאחר שלמדנו למזער מכשירים גם הלוויינים שלנו הופכים לקטנים ויעילים יותר מרגע לרגע.

היקפי הידע הדרושים למהנדסים בתחומים שונים גדלו עד כדי השקה עם תחומים אחרים, כך ששילוב של מחקר ופיתוח הנדסי בין-תחומי נעשה ברור ונחוץ מאין כמותו. בכך נפתחו אופקים חדשים בתחומי ההנדסה ובעיקר בתחום הנדסת החלל שפורחת בעקבות השילובים הבין-תחומיים.

שדה פעילות חדש – גדלים זעירים בקוביות
ההתפתחות המהירה של הטלפונים החכמים (סמארטפונים), כמו גם של ננו-רובוטים ביולוגיים שנקלטים בציוד הלביש המודד את מצבנו הרפואי כגון דופק, לחץ דם, סוכרת ועוד נתונים חשובים, האיצה את פיתוחם של רכיבים אלקטרוניים זעירים וכן של מגוון טכנולוגיות עיבוד וניתוח מידע מתקדמות.

התפתחויות אלה מיושמות כיום בהצלחה גם בתחום הנדסת החלל ובעיקר בפיתוחם של לוויינים זעירים. בנוסף לטכנולוגיה, שמשחקת תפקיד מפתח בהתפתחות של הלוויינות הזעירה ברחבי העולם, יש לציין גם את התפתחות התקינה (סטנדרטיזציה) בתחום הלווייניות הזעירה כגורם מכריע שתרם רבות להתפתחות התחום בעשור האחרון. היו אלה פרופ’ בוב טוויגס (מאוניברסיטת סטנפורד) יחד עם פרופ’ ג’ורדי פ. סוארי (מאוניברסיטת Cal-Poly) אשר תבעו לראשונה את המונח “לוויין קובייה” (Cube-Sat) כבר בשנת 1999.

“לוויין קובייה” הוא למעשה לוויין זעיר, או לוויין ננו טיפוסי שצורתו החיצונית הבסיסית היא קובייה בממדים של 10X10X10 ס”מ ובמשקל של 1.33 ק”ג. ניתן לצרף מספר יחידות בסיסיות של “לוויין קובייה” (יחידה בסיסית אחת מסומנת גם כ- ”1U”) ולקבצם יחד ללוויין גדול יותר לשם ביצוע משימות מורכבות, הן בתחום המדעי והן בתחום המסחרי.

עלותם הנמוכה יחסית (כ-100,000$ עבור יחידת לוויין-קובייה בסיסית), משך בנייתם הקצר (פחות משנה) ומשקלם הנמוך (קילוגרמים בודדים) הם שתרמו לפופולריות הרבה של לווייני הקובייה. לוויינים אלה הפכו לדרך המועדפת באקדמיה וגם בתעשייה להוכחת טכנולוגיות חדשניות וביצוע מחקר אקדמי בחלל. זאת לעומת עלות של עשרות מיליוני דולרים ללוויינים גדולים יותר שזמן פיתוחם עשוי לקחת שנים ארוכות ושהטכנולוגיה שלהם בדרך כלל מיושנת ובעלת ביצועים פחותים.
קצב ההתפתחות המסחרר של הלוויינים הזעירים בכלל, ולווייני הקובייה בפרט, הביא לשיגור מאות לוויינים זעירים בשנים האחרונות, כמות אשר צפויה להמשיך ולגדול בשנים הבאות. התפתחות זו אף הביאה ליצירת שוק מוצרים ומערכות ייעודיים ללוויינים זעירים אשר אמינותם הולכת וגדלה כל העת, כמו גם איכות התוצרים המסחריים והמדעיים שהם מפיקים.

מה השלב הבא?
טלפון סלולרי חכם מכיל כיום שורה של רכיבים מתקדמים, כמו מקלטי GPS לקליטת לווייני הניווט, מגנטומטר למדידת השדה המגנטי של כדור הארץ, מדי תאוצה למדידת מהירות התנועה, ג’ירוסקופים למדידת מצבו הזוויתי של המכשיר עצמו, מקלטי רדיו, ברומטר למדידת לחץ אטמוספרי, מצלמות זעירות וגם יחידת עיבוד משוכללת שמסוגלת להתמודד עם מרבית המשימות של לוויין גדול יותר. כל הרכיבים שהוזכרו הם מועמדים ראויים ונחוצים למערכות חלל זעירות.
מדענים ב-NASA ובחברת GOOGLE אף הגדילו לעשות, ובמקום להשתמש ברכיבים שהגיעו מעולם הטלפונים החכמים כמערכות בלוויין זעיר, הם החליטו להשתמש בטלפון החכם עצמו כחלק מרכזי בלוויין זעיר. המעבד של הטלפון החכם שימש כמנהל המשימה בלוויין והחיישנים השונים של הטלפון שימשו לביצוע משימות ואיסוף נתונים מהחלל. שלושה לווייניPhoneSat” ” שוגרו כבר בשנת 2013 ע”י NASA, וקיבלו את השמות “אלכסנדר” “גרהם” ו”בל” על שם ממציא הטלפון המפורסם. בהמשך שוגרו “לווייני טלפון” נוספים והיד עוד נטויה.

התחזית היא שבחמש השנים הקרובות ישוגרו למעלה מ-1,000 לוויינים זעירים למשימות מסחריות ומדעיות, הן כבודדים בגדלים שונים (2U-8U) והן בלהקות או נחילים לשם ביצוע משימות מורכבות.

להלן מספר דוגמאות להמחשת התפתחות תחום הננו-לוויינים:

• חברת Orbital Sciences האמריקאית, שיגרה לפני כשנתיים 29 לוויינים זעירים בשיגור אחד למסלול לווייני נמוך (LEO) ועוד 33 לוויינים דרך תחנת החלל הבינלאומית (ISS).
• חברת Kosmotras הרוסית נעזרה במשגר הדנייפר לשיגור 32 לוויינים זעירים למסלול נמוך. גם הלוויין “דוכיפת-1” הישראלי שפותח במרכז המדעים בהרצליה, שוגר באמצעות הדנייפר עם 36 לוויינים זעירים נוספים. דוכיפת-2 צפוי אף הוא להיות משוגר יחד עם נחיל של 50 לוויינים זעירים (50QB) בשיגור אחד.
• חברת Planet Labs שיגרה לפני כשנה 28 לוויינים זעירים (U3) לצילום רציף של כדור הארץ מתחנת החלל הבינ”ל (ISS) ויש בכוונתם לשגר 100 ננו-לוויינים נוספים כאלה לכיסוי צילומי רציף של כדוה”א.
• התקדמות ניכרת גם בשיגור לוויינים זעירים במחירים נמוכים (מאות אלפי דולרים). לדוגמה: החברה האמריקאית Interorbital Systems מקליפורניה ביצעה ניסוי במשגר שיכול לשאת עשרות ננו-לוויינים בשיגור אחד במחיר יעד של 38-13 אלף דולר לננו-לוויין, מחיר נמוך מאוד יחסית לשיגור נלווה ללוויין גדול במיוחד כשאפשר לשגר אותו למסלול מדויק בהתאם לדרישת מפתחי הלוויינים הזעירים. גם התעשייה האווירית בארץ משולבת בתחום זה, יחד עם הטכניון ואוניברסיטאות בחו”ל.
• תחום נוסף שנוצר בעקבות הצלחת הלוויינים הזעירים הוא ה”אינטרנט מהחלל”. הרעיון הוא לאפשר אינטרנט, בקצבים גבוהים, בעזרת נחיל של לוויינים זעירים בגובה נמוך (LEO) שיגיע לכל המקומות בעולם שכיום אין להם גישה לאינטרנט וכן לפתור את בעיית ה”פיגור בזמן” שנוצרת בעקבות השימוש הנפוץ כיום בלווייני התקשורת הרגילים הנמצאים במסלול גיאוסטציונרי בגובה 36,000 ק”מ. משך השידור דרך הלוויינים הגבוהים הוא כרבע שנייה כשלזה נוסף פיגור הזמן דרך הרשת הקווית. “פיגור זמן” מהווה מגבלה כשיש צורך בשידור וידיאו או שיחה בזמן אמיתי וגם כשנדרשות תגובות מהירות במיוחד כמו למשל ביצוע פעולות מסחר אלקטרוניות בבורסות ברחבי העולם.

מספר חברות מתחרות כיום על הקמת התשתית ל”אינטרנט החללי”, כשכולן מבססות את הפתרון שלהן על שיגור נחילי לוויינים קטנים וזעירים לגבהים נמוכים יחסית (עד כ 1,000 ק”מ) לטובת פתרון סוגיית “הפיגור בזמן” שיצומצם לאלפיות בודדות של השנייה וכן לשם אספקת אינטרנט רציף לכל מקום בעולם. החברות המרכזיות כיום בשוק זה הן:

• חברת Virgin Galctic בשיתוף חברת “קוואלקום”, יצרו את המיזם One” Web” ומתכננות לשגר 648 לוויינים זעירים בגובה 1,200 ק”מ מעל כדור הארץ ליצירת האינטרנט החללי.
• חברת Space X מתכוונת לשגר נחיל של 4,000 לוויינים זעירים לגובה של כ-1,000 ק”מ ליצירת הרשת החללית שלה. חברת GOOGLE הצטרפה אף היא למרוץ האינטרנט והשקיעה כמיליארד דולר למיזם האינטרנט החללי של Space X.
• חברת Iridium, שכבר מחזיקה בחלל 66 לוויינים פעילים מהדור הקודם, מתכננת כעת לפתח נחיל לוויינים זעירים חדישים תחת השם Iridium Next שיורחב לאינטרנט חללי. וגם חברת O3b נכנסה לשותפות עם חברת One Web וכבר שיגרה 12 לוויינים לגובה נמוך (Leo).

מהנעשה בארץ:

• QB50 – “דוכיפת 2” הישראלי הוא אחד הלוויינים מנחיל של 50 ננו-לוויינים לחקר התרמוספרה – פרויקט של רשות המחקר האירופי. שיגור צפוי ב-2016.
• Samson – להקה של 3 לווייני ננו (3U) של הטכניון שמטרתו לאתר אוניות בים וכן לשמש כבסיס לשורת פרויקטים בתחום המדעי. ישוגר במהלך 2016.
• I-Train – פרויקט להקה של 5 לווייני ננו שבו ישולבו חמישה מרכזים מדעיים בהנחיית מרכז המדעים בהרצליה ובסיוע התעשייה האווירית לביצוע שורה של משימות טכנולוגיות ומדעיות מהחלל.
• ובנוסף מתוכננים לשיגור בשנה הקרובה לוויין ננו של אוניברסיטת בן-גוריון (BGU Sat) ולוויין טכנולוגי של התעשייה האווירית “אינקליין”. מלבד זאת קיימת שורת מיזמים בלוויינות זעירה המצויים בשלבי תכנון וגיוס הכספים, כמו ה”גדעון” של חברת אלביט מערכות וכן ה””Lite Sat של רפא”ל.
• U – Unit
• פרופסור חיים אשד – יו”ר ועדת החלל במועצה הלאומית למחקר ופיתוח. המאמר התפרסם בגיליון יוני 2015 של כתב העת המדעי לילדים “ראש גדול”.

עוד בנושא באתר הידען:
משגרים ללוויינים זעירים
עידן הלוויינים הזעירים20 שנה לשיגור אופק 3 לוווין התצפית הצבאי הראשון של ישראל – ראיון עם אבי התוכנית, פרופ’ חיים אשד
כחול ולבן בחלל – אנשי מפתח בתוכנית החלל הישראלית