מערכת מעקב אחר בעלי כנף המבוססת לוויינים מסתמכת על טכנולוגיית מחברים בעלי אמינות גבוהה

פרויקט שאפתני למעקב מהחלל אחר דפוס ההגירה הגלובלי וההתנהגות של בעלי כנף באמצעות לווין קטן נמצא במצב מתקדם מאד. הגודל והתנאים הקיצוניים שלוויין כזה – המכונה ‘קיובסאט’ – יתנסה בהם במהלך המשימה מפעילים אילוצים עצומים על המערכות האלקטרוניות המוכנסות לשימוש. משמעות הדבר היא שהצוות WUSAT – צוות הלוויינים של אוניברסיטת וורוויק (Warwick) המפתח לוויינים עבור הפרויקט הזה – חייב להיות מאוד חדשני בתכן, וחייב לבחור רכיבים המסוגלים לתפקד באמינות בסביבות קשות כאלה.
מיליארדי עופות, עטלפים וחרקים גדולים נודדים למרחקים ארוכים כל שנה, לפעמים בין יבשות. עד כה, המדענים לא הצליחו לעקוב אחר יצורים קטנים כאלה באופן פרטני במהלך מסעותיהם. עם זאת, הידע על דפוסי תנועה פרטניים חיוני להבנה אקולוגית ואבולוציונית של הפיזור. איקרוס, ראשי התיבות של “שיתוף פעולה בינלאומי לחקר בעלי החיים באמצעות החלל” (ICARUS -International Cooperation for Animal Research Using Space’), הוא שיתוף פעולה גלובלי של

מדעני בעלי חיים המתכנן להקים תשתית מבוססת לוויינים לתצפית בלא רק עופות נודדים ועטלפים, אלא גם בצבי ים.
ICARUS יסייע בפתרון שתי חידות בביולוגיה: אנחנו צריכים להבין את האונטוגנייה (ontogeny) של התכונות ההתנהגותיות והתנועה של בעלי חיים בטבע; ואת הברירה הפועלת על הפרטים בטבע (למשל היכן, מדוע ומתי פרטים מתים). מצפים שמערכת המעקב אחר חיות קטנות של ICARUS תאפשר לחוקרים לתת מענה לכמה נושאים עיקריים, כגון:
התפשטות מחלות זיהומיות (באמצעות ציפורים, עטלפים, מכרסמים או חרקים)
הקשר בין המגוון הביולוגי ותפקוד המערכת האקולוגית
מעקב אחר ותחזית נוכחות העופות, כדי לשפר את בטיחות התעופה
נתיבי ודפוסי הגירה
הלוויין קיובסאט האחרון של WUSAT – הנועד להיות משוגר מתחנת החלל הבינלאומית (ISS) – שואף לעבוד בשיתוף עם המערכת איקרוס, עם נתוני מערכות GPS, תאוצה בתלת מימד ואחרים, שנאספים באוגרי נתונים (loggers) בנוסח “קופסה שחורה” המוצמדים לבעלי חיים בודדים ומועברים בחבילות נתונים קטנות אל הלוויינים במסלול נמוך (LEO) האלה, שם הם מפוענחים ומשודרים מטה לתחנת הקרקע.
הצוות WUSAT, תוך שיתוף פעולה עם חברת יעוץ הנדסת אלקטרוניקה בעלת שם עולמי, Roke Manor Research, הוא אחד השותפים בפיתוח הלוויין קיובסאט מסוג LEO. צוות WUSAT של האוניברסיטה וורוויק הוקם לפני עשר שנים, ומאז 2012 כבר פיתח לוויין קיובסאט משלו, לוויין “ננו”, באופן טיפוסי בצורת קובייה בעלת אורך צלע של 0.1 מטר, עם מסה נמוכה מ-1.33 ק”ג. בחודש אפריל 2013 הלוויין קיובסאט הראשון שלו (WUSAT1) שוגר לגובה של 30 ק”מ באמצעות בלון מזג אוויר לגובה רב על מנת לבחון את המערכות שלו בסביבה הקשה שבה טמפרטורת הסביבה ירדה מתחת לערך של , לפני שיגורים עתידיים באמצעות רקטות. הלוויין WUSAT2 ששוגר בשנת 2015 נשא מטען ספקטרוסקופיה לגובה 90 ק”מ כחלק מהפרויקט היוקרתי DLR/SNSB במסגרת REXUS (ניסוי רקטי לתלמידי אוניברסיטה – Rocket Experiment for University Students).
עבור הלוויין WUSAT 3, הפרויקט של איקרוס, המיועד לשיגור מתוך ISS בשנת 2018, הצוות בחר בתצורה של שלוש יחידות, בפועל שלוש יחידות קיובסאט המוערמות אחת על גבי האחרת. בקצה העליון של ההתקן יש מערך אנטנת נפרסות, שיהוו את המקלט עבור אותות איקרוס. (ראה איור 1)
כאמור בראשית המאמר הזה, הגודל הקטן ותנאי הפעולה המאתגרים שחווים ביישומי חלל מצריכים שהמערכות האלקטרוניות שנעשה בהן שימוש תהיינה מאוד מוקשחות. בזמן השיגור, מערכות עלולות להיות חשופות לכוחות הלם של כמה יחידות G, וכאשר הן כבר נמצאות במסלול, הטמפרטורה יכולה לנוע בין קר מאוד לבין חם במידה קיצונית, בתלות במיקום היחסי של הלוויין לעומת השמש. מערכות מחברים לאלקטרוניקה פגיעות במיוחד, שכן הן לא רק צריכות להבטיח את שלמות האות החשמלי, אלא שיש עליהן למלא גם תפקיד פיזי.
גודל ומשקל הם תמיד גורמים קובעים בכל יישום חלל: ככל שהרכיבים קטנים וקלים יותר, כך יכול המטען המועיל להיות גדול יותר… ובלווין “ננו” זעיר, הדבר הופך להיות אפילו חשוב עוד יותר. ואז קיים גם השיקול הכלכלי. במונחי חלל, לווייני קיובסאט זולים יחסית, אבל הפיתוח והשיגור שלהם עדיין עולים אלפי לירות בריטיות, ולאחר השיגור, אין כל הזדמנות לתקן בעיה כלשהי. אם לומר זאת בפשטות, אסור למחברים להיכשל.
מאז הקמתו, צוות WUSAT בחר להשתמש במחברים בעלי האמינות הגבוהה של חברת Harwin. החברה משתמשת במגע נקבה מסגסוגת נחושת בריליום בעל 4 אצבעות שמספק ביצועים חשמליים ומכניים מעולים. מוצרים כגון המשפחות בפסיעה של 2 מ”מ Datamate וגם Mix-Tek, משפחת Gecko בעלת פסיעה של 1.25מ”מ ומחברי M300 להספק גבוה נקובים לעמידה בערכי הלם, רעידות טמפרטורה קיצוניים, וכבר היו בשימוש ביישומי לוויין רבים, כמו גם בפרויקטים קריטיים אחרים של תעופה וחלל, חיפושי נפט וגז, רובוטיקה, מל”טים, ספורט מוטורי, כלי רכב צבאיים, ואחרים.
במסגרת משימת WUSAT 3 האחרונה, הצוות נמצא עדיין בשלב הפיתוח. אבל אחת האפשרויות המסקרנות ששוקל הצוות משתמשת בארבעה מחברי Datamate, לא רק כדי לספק את החיבור החשמלי, אלא גם כדי לספק את השלמות המבנית של התכן שכולל גזרה העשויה בצורת תיבה בעלת ארבעה מעגלים מודפסים שבה הלוחות הופכים לבעלי תמיכה עצמית (ראה איור 2). בדרך כלל, המעגלים המודפסים שבשימוש בתיכונים של קיובסאט מוערמים אחד על גבי האחר, כשהם מופרדים על ידי רווחנים בצורת עמודון. הסידור המוצע החדש לא רק יגדיל את השטח הפנוי, הוא גם יחסוך הרבה חיווט ללוח בין מעגלים מודפסים המוערמים. ולא פחות חשוב מזה, הדבר יאפשר גם את השימוש בדפוסי התכן הטובים ביותר בעת תיכון מעגלי עיבוד האות – החלק הארי של הפרויקט הזה.
מבנה תיבת הקובייה המוצע עושה שימוש במחברי Datamate J-Tek של Harwin, המצוידים בבורגי חילוץ לאבטחה נוספת להתחברות – חיונית אם השלמות המבנית של התכן אמורה להסתמך על עמידות המחבר. למעשה, לא רק יישומי חלל, אלא מספר ענפים אחרים כגון תעופה, ביטחון, רובוטיקה, וספורט מוטורי מעדיפים כעת לציין במפרטיהם בורגי חילוץ ולא תפסים או מנגנוני קיבוע אחרים שעלולים להתבלות ולהיכשל בשל רעידות קיצוניות.