Anvendelse af Mikrobølger til at Sende Energi i Rummet
AM Anvendelse af Mikrobølger til at Sende Energi i Rummet Thor Vestergaard Christiansen 3.l, Aarhus Katedralskole Naturvidenskab Projekt Forskerspirer 2016 31. oktober 2016 Mette Høst© Thor Vestergaard Christiansen 3.l, Aarhus Katedralskole Indholdsfortegnelse Introduktion ....................................................................................................................................... 3 Formål og Problemformulering ........................................................................................................ 3 Afgrænsning af projektet .......................................................................................................................... 4 Teori .................................................................................................................................................... 4 Overførsel af energi via mikrobølger........................................................................................................ 4 Rumsondes bane omkring komet .............................................................................................................. 6 Operationskrav for Rosetta ....................................................................................................................... 6 Forsøg – Fremgangsmåde ................................................................................................................. 7 Tidsplan for Projektet ....................................................................................................................... 9 Fase 1 – december 2016 til august 2017 ................................................................................................... 9 Tidsplan for Forsøg 1 ................................................................................................................................ 9 Fase 2 – juni 2017 til oktober 2017 .......................................................................................................... 9 Fase 3 – oktober 2017 til november 2017................................................................................................. 9 Tidsplan for Forsøg 2 ................................................................................................................................ 9 Fase 2 – juni 2017 til oktober 2017 .......................................................................................................... 9 Fase 3 – november 2017 til oktober 2018................................................................................................. 9 Delbudget for Forsøg 1 og Forsøg 2 ............................................................................................... 10 Samlet budget – Forsøg 1 ................................................................................................................ 11 Samlet budget – Forsøg 2 ................................................................................................................ 11 Projektets anvendelsesmuligheder ................................................................................................. 12 Konklusion ........................................................................................................................................ 13 Litteraturliste ................................................................................................................................... 14 Bilag ................................................................................................................................................... 18 A1: Rosettas geostationære kredsløbsbane omkring komet 67P/C ........................................................ 18 A2: Rosettas fart i kredsløbet omkring komet 67P ................................................................................. 20 A3: Udregning af Rosettas afstand til komet 67P ................................................................................... 20 A4: Blokdiagram for Afsenderboks – DC-RF-konvertering .................................................................. 21 A5: Blokdiagram for Modtagerboks – RF-DC-konvertering ................................................................. 22 A6: Forsøgsopstilling.............................................................................................................................. 23 A7: Faser i ESA’s REXUS/BEXUS-program ........................................................................................ 25 31/10/16 2/26 Thor Vestergaard Christiansen 3.l, Aarhus Katedralskole Introduktion Dette forskerspireprojekt omhandler muligheden for at sende energi trådløst i rummet mellem rumsonder og kometlandere via mikrobølger. Idéen til projektet opstod på baggrund af ESA’s Rosettamission, som blev opsendt i 20041 til en samlet pris på 1,4 mia. €.142De primære formål med Rosetta-missionen var at undersøge den kemiske sammensætning af komet 67P/ChuryumovGerasimenko (benævnt komet 67P i det følgende) samt lande kometlanderen Philae på kometen for at analysere denne ”on location”.153Den 12/11 2014 landede Philae i Agilkia regionen på komet 67P. Men forankringen til kometen forløb ikke planmæssigt, og Philae ’hoppede’ derfor til området Abydos, hvor den landede i skygge.164Således kunne den ikke bruge sine solpaneler, og som følge heraf kunne Philae kun bruge sit medbragte batteri med en batterilevetid på 60 timer.195Dermed var det kun muligt at gennemføre 80% af de planlagte målinger.186 Med det formål at optimere mulighederne for at gennemføre planlagte målinger på en ny rummission vil jeg med Rosetta-missionen som referenceramme undersøge, hvorvidt rumsonden Rosetta, der svævede i en bane omkring komet 67P, ville have været i stand til at konvertere energi fra egne solpaneler og overføre energien via mikrobølger til Philae, som så kunne konvertere mikrobølgerne til strøm. Dermed havde ESA formentlig ikke måtte opgive Philae definitivt den 17/2 2016.20 Projektet er særlig interessant, da det har en høj aktualitet og er brugbart for mange interessenter, herunder ESA og NASA, der planlægger rummissioner til asteroider. 7,8 Projektet vil også være interessant for private rumaktører som SpaceX og mineselskaber, eksempelvis i forbindelse med udvinding af råstoffer fra asteroider. 9 Det er derfor håbet, at projektet kan bidrage til rumforskningen, hvilket, sammen med Andreas Mogensens udførelse af mit forsøg på ISS, har været den største motivation. Formål og Problemformulering Projektet er baseret på den hypotese, at det er muligt at sende energi via mikrobølger over større afstande i rummet, herunder mellem rumsonder og kometlandere. Med udgangspunkt i ESA’s Rosetta-mission til komet 67P undersøges hypotesen eksperimentelt. Som et led i forsøget undersøges overførselseffektiviteten af energien med henblik på vurdering af metoden som en funktionel løsning på utilsigtede problemer med solceller. Formålet er at optimere fremtidige kometmissioner, så kometlanderes videnskabelige målinger og indsamling af data ikke begrænses af energimangel. 31/10/16 3/26 Thor Vestergaard Christiansen 3.l, Aarhus Katedralskole Afgrænsning af projektet På baggrund af nedenstående teori og empiriske data fra Rosetta-missionen vil jeg opstille et eksperiment, som skal: 1) Bekræfte den hypotese, at det er muligt at overføre energi trådløst over større afstande i rummet via mikrobølger. 2) Undersøge overførselseffektiviteten af energi sendt i rummet via mikrobølger. I tilknytning til ovenstående punkt 1 og 2 undersøges hvilke begrænsninger, der spiller ind ift. at overføre energi mellem rumsonder og kometlandere. Der tages højde for disse parametre i eksperimentet, så forholdene omkring Rosetta og Philae simuleres bedst muligt. Bekræfter dataene fra eksperimentet de to forskningsmål, kan samme model anvendes ved fremtidige rumsonders og kometlanders videnskabelige undersøgelser af kometer. Teori Overførsel af energi via mikrobølger Mikrobølger er valgt som metode til at overføre energi trådløst mellem Rosetta og Philae, da denne metode har en forholdsvis høj energieffektivitet og kan anvendes over større afstande. Det primære udstyr i form af en afsenderantenne (0,8 meter Medium Gain a Antenne 10) og en modtagerantenne findes allerede på henholdsvis Rosetta og Philae, da disse benyttes til overførsel af data via radiobølger. 11 Ved trådløs overførsel af energi via mikrobølger undgås problemer ift. støv- og gasskyer fra komet 67P, som kan påvirke andre løsningsmuligheder (fx lasere), da støvet kan dække Philaes solceller. 12 På Jorden viste den Japanske Rumfartsorganisation i 2015, at 1,8 kW kunne sendes over 55 meter gennem mikrobølger.26 Ved ’directive RF beamforming’ bruges mikrobølger som et medie til at overføre energi i form af strålingsenergi. Energioverførslen er således baseret på mikrobølgerens elektriske felt. For at overføre energi skal jævnstrøm (DC) fra strømforsyningen først konverteres til mikrobølger (RF) gennem en RF-generator – typisk en Figur 1: (c) single stage voltage multiplier. Model af et diode-baseret konverteringskredsløb, hvor energien fra mikrobølger (RF) ensrettes til jævnstrøm (DC)3 Gain: Antennens evne til at modtage/sende radiobølger i en specifik retning sammenlignet med en isotropisk antenne, som udsender samme strålingsintensitet i alle retninger. Udtrykt i dBi. magnetron. (Bilag A4) Når mikrobølgerne er sendt af a 31/10/16 4/26 Thor Vestergaard Christiansen 3.l, Aarhus Katedralskole sted gennem luften via afsenderantennen og modtaget af modtagerantennen, skal mikrobølgerne omdannes til elektricitet igen vha. et RF-to-DC konverteringskredsløb. Selve konverteringen fra mikrobølger til jævnspænding er afhængig af den matchende modstand b mellem modtagerantennen og spændingsmultiplikatoren c, samt effektiviteten af spændingsmultiplikatoren, som konverterer de modtagne mikrobølger til jævnstrøm.2 Kredsløbet er baseret på et rectenna d-baseret design (Bilag A5), da en høj energieffektivitet tilsigtes.3 Ved at sammensætte ’single stage voltage multiplier13 kredsløb’ (figur 1) i stakke (spændingsmultiplikator), kan en større spænding samtidig opnås.4 Til 14 kredsløbet benyttes Schottky-dioder med en lav tærskelspænding og en lav overgangs kapacitet.3 For at Philae kan begynde at oplade sit batteri, skal den modtage mere end 5,5 watt. 15 Solpanelerne på Rosetta leverede en effekt på 850 watt ved en afstand på 3,4 AU e fra solen. Da Philae d. 5/9 2016 blev lokaliseret, befandt Rosetta sig i en afstand på 3,69 AU 1 fra solen. Da effekten aftager med 𝑟 2 f, vurderes det, at solpanelerne da kunne levere en effekt på 750 watt. Effekten, som modtagerantennen får i rummet, kan beregnes ud fra Friis-formelen: Figur 2: Sammenhængen mellem effektivitet og tab i et RF-to-DC energi konverteringskredsløb som en funktion af modtaget effekt. Ved lav effekt er effektiviteten begrænset af diodens tærskelspænding. Ved høj effekt begrænses effektivteten af diodens modsatrettede spænding.3 𝐺𝑇 𝐺𝑅 𝜆2 𝑃𝑟 = 𝑃𝑇 (4𝜋𝜋)2 𝐿 hvor 𝑃𝑟 er den modtagne effekt, 𝑃𝑇 er afsenderantennens effekt, L er tabet i signalstyrke, 𝐺𝑇 er af- senderantennens gain, 𝐺𝑅 er modtagerantennens gain, 𝜆 er den afsendte bølgelængde og 𝑑 er af- standen mellem afsenderantennen og modtagerantennen.5 Teoretisk kan en modtaget effekt på 𝑃𝑟 = 16 8,2 watt opnås ifølge Friis-formlen med en 15 dBi modtagerantenne, en 15 dBi afsenderantenne og en mikrobølgefrekvens på 2,4 GHz. Dog er der også tab i RF-to-DC konverteringskredsløbet (figur 2). b c d e f Resonanskredsløb, som opererer ved en given frekvens for at maksimere overførslen af energi mellem antennen og spændingsmultiplikatoren2 (Lu, X. et al. Wireless Networks with RF Energy Harvesting: A Contemporary Survey) Konvertere vekselstrøm fra en lavere spænding til en højere jævnstrømsspænding Antenne, der kan konvertere elektromagnetisk energi til jævnstrøm (DC) Astronomisk enhed 1 AU = 149.597.870,7 km Fra privat e-mail korrespondance med Sylvain Lodiot, Rosetta Spacecraft Operations Manager, ESA 31/10/16 5/26 Thor Vestergaard Christiansen 3.l, Aarhus Katedralskole For mikrobølgefrekvenser < 6 GHz g vurderes effektiviteten, afhængig af antallet af voltagemultiplier-kredsløb, at være ~95%.6 Rumsondes bane omkring komet Der skal opstilles en model for, hvordan en rumsonde kan indgå i et kredsløb omkring en komet, så rumsonden er i så kort en afstand til kometlanderen som mulig, og så rumsonden svæver over kometlanderen i så lang tid som mulig. Herved overføres energien via mikrobølger mest effektivt. Når Rosetta skal sende energi til Philae, skal rumsonden indgå i et kredsløb omkring komet 67P, hvor den svæver over Philae i området Abydos. h I Rosettas kredsløbsbane skal der samtidig tages højde for komet 67P’s rotation, hvis rotationsperiode er 12,305 timer.1 Den mest optimale kredsløbsbane, der opfylder ovenstående betingelser, er et geostationært kredsløb omkring komet 67P, hvor Rosseta konstant er over Philae, idet rumsondens omløbstid er den samme som kometens rotionsperiode. Radius for denne bane kan udregnes ud fra Keplers love om cirkulære kredsløb med kometens samlede massemidtpunkt som centrum. Dette er muligt, da 67P’s samlede massemidtpunkt ligger inden for forbindelseslinjen mellem de Offentliggjorte billeder af Philaes landingssted på den lille kerne på komet 67P/C-G ©ESA to massemidtpunkter for kometens kerner med en minimumsafstand på kun 30 meter.1 Således er radius i kredsløbet beregnet til 3211 meter (Bilag A1). Afstanden fra Rosetta til overfladen af komet 67P er bestemt til 521 meter (Bilag A3). Afstanden til Philae er ved trekantsberegning bestemt til at være 650 m ± 50 meter. Operationskrav for Rosetta Under projektet tages der højde for følgende parametre: • Når Rosetta skal indgå i det geostationære kredsløb fra en højere liggende kredsløbsbane, skal ESA bremse Rosetta ved hjælp af brændstof og lade Rosetta ’falde’ til en afstand af 3211 meter fra 67P’s samlede massemidtpunkt for bagefter at øge hastigheden til 0,455 m/s (Bilag A2). g Til forsøget benyttes frekvenserne 2,45 GHz og 5,8 GHz, da disse er en del af ISM-Båndet (Industrial, Scientific and Medical Band) h Området Abydos ligger på kanten mellem de to regioner Hatmehit og Bastet på den lille kerne på komet 67P 31/10/16 6/26 Thor Vestergaard Christiansen 3.l, Aarhus Katedralskole Dog foretages disse banekorrektioner ofte grundet 67P’s ”asymmetriske tyngdefelt og fordi tyngdefeltet er meget svagt.” i I henhold til Sylvain Lodiot j ”The Consumption depends of 𝑚𝑚 𝑐𝑐 the change. The last manoeuvres were generally very small (between 7 𝑠 and 2 𝑠 ) con17 suming close to no fuel. The last OCM k was around 30 • 𝑐𝑐 l 𝑠 ” I kredsløbsbanen skal Rosetta kun sende energi via mikrobølger til Philae. Dermed skal de 12 andre forskningsinstrumenter indstilles i perioden, hvor Rosetta udfører denne opgave i kredsløbet. • Rosetta kan dog kun befinde sig i denne kredsløbshøjde, efter at komet 67P ikke længere er i perihelium m. I perioden omkring perihelium er der stor aktivitet på komet 67P, som vil slynge støv og gas ud, hvilket er til fare for Rosetta. 18 Forsøg – Fremgangsmåde For at teste hvorvidt energi kan overføres trådløst i rummet udføres følgende forsøg: En stratosfæreballon sendes op til en højde af 35 km, hvor overførslen af energi via mikrobølger undersøges, da tryk og temperaturforhold i denne flyvehøjde tilnærmelsesvist er tilsvarende dem i rummet. 19 (Bilag A6) For at teste overførslen af energi skal stratosfæreballonen opsendes med en modtagerboks og en afsenderboks. Afsenderboksen (Bilag A4) skal konvertere jævnstrøm fra strømforsyningen til mikrobølger, som udsendes via afsenderantennen. Modtagerboksen skal bestå af en modtagerantenne, der kan opfange mikrobølgerne. Energien i mikrobølgerne skal så konverteres til jævnstrøm (DC) igen vha. et konverteringskredsløb (Bilag A5). Både afsender- og modtagerboks indpakkes i flamingo, så udstyret ikke tager skade af den lave temperatur i stratosfæren 20. Fra jorden kontrolleres stratosfæreballonens position vha. GPS-udstyr. En micro-controller starter forsøget, når stratosfæreballonen når en højde på 35 km. Dataene fra forsøget sendes ned til jorden via en separat antenne, hvor de analyseres. Eksperimentet kan udføres på to måder, der er beskrevet i det følgende. Begge forsøg har til formål at undersøge hypotesen om, at energi kan sendes trådløst via mikrobølger i rummet samt undersøge effektiviteten af energioverførslen. Forsøg 1 opsendes fra DTU n . Overførselsafstanden mellem de i Fra privat e-mail korrespondance med Kristoffer Leer, forskerkontakt og post Doc. ved DTU Space Sylvain Lodiot er Rosetta Spacecraft Operations Manager, ESA k Orbital Conjunction Message l Fra privat e-mail korrespondance med Sylvain Lodiot, Rosetta Spacecraft Operations Manager, ESA m Det punkt i komet 67P’s bane, hvor den er tættest på solen. Perihelium indtraf d. 13/8/15 i en afstand på 186 mio. km fra solen. n Danmarks Tekniske Universitet, København j 31/10/16 7/26 Thor Vestergaard Christiansen 3.l, Aarhus Katedralskole to 15 dBi, 2,4 GHz antenner er 3 meter. Forsøg 2 opsendes gennem ESA’s REXUS/BEXUSprogram o, hvor forholdene omkring Rosetta og Philae simuleres mht. overførselsafstand, antennevalg m.v. Kan opsendelsen ikke foregå gennem ESA’s REXUS/BEXUS-program, opsendes forsøget fra DTU. Forsøg 1: I) Overførselsafstanden af energien er 3 meter. II) Maksbelastning for stratosfæreballonen er ca. 6 kg. III) Opsendes fra DTU i København under vejledning René Fléron (Forskerkontakt og civilingeniør fra DTU SPACE). Nødvendige tilladelser og opsendelseskrav for stratosfæreballonerne varetages af René Fléron. IV) Der kan laves to opsendelser, hvormed eventuelle fejl ved første opsendelse undgås i anden. Anden opsendelse kan bekræfte resultaterne fra første opsendelse. Forsøg 2: I) Eksperimentet tester effektiviteten af den trådløse energioverførsel over en afstand på 700 meter, hvilket svarer til Rosettas afstand til Philae i Clarke-kredsløbet. II) Maksbelastningen for stratosfæreballonen er mellem 40-100 kg. III) Opsendes fra Esrange Space Center, Kiruna, Sverige gennem ESA’s program REXUS/BEXUS. IV) Projektet sponsoreres af German Aerospace Center og Swedish National Space Board. V) Forudsætter at forskerspireprojektet bliver udvalgt til REXUS/BEXUS-programmet. VI) Projektet assisteres af eksperter fra DLR p, SSC q, ZARM r og ESA under udførelsen. VII) De nødvendige sikkerhedsforanstaltninger, tilladelser til opsendelse samt redning af stratosfæreballonen varetages af eksperterne gennem REXUS/BEXUS-programmet. VIII) Opsendelsen foretages kun en gang. o REXUS/BEXUS-program: http://rexusbexus.net/bexus/ German Aerospace Center – http://www.dlr.de/dlr/en/desktopdefault.aspx/tabid-10002/ q The Swedish Space Corporation - http://www.sscspace.com/ r The Center of Applied Space Technology and Microgravity – https://www.zarm.uni-bremen.de/ p 31/10/16 8/26 Thor Vestergaard Christiansen 3.l, Aarhus Katedralskole Tidsplan for Projektet Fase 1 – december 2016 til august 2017 Efter Forskerspirekonkurrencen vil jeg designe en afsenderboks og en modtagerboks. Den nødvendige hardware indkøbes, kredsløbene bygges og loddes hos DTU SPACE og udstyret programmeres. Tidsplan for Forsøg 1 Fase 2 – juni 2017 til oktober 2017 Træffes beslutningen om at udføre Forsøg 1, designes den sidste afsender- og modtagerboks efter samme fremgangsmåde som de første, og fire antenner indkøbes. Herudover indkøbes to stratosfæreballoner med en maksimal belastning på ~6 kg for egenbetalingen. Fase 3 – oktober 2017 til november 2017 Alt afhængig af de rette vejrforhold vil jeg opsende de to stratosfæreballoner med en uges mellemrum fra DTU i København under vejledning af René Fléron. Under første opsendelse indsamles dataene fra stratosfæreballonen, og disse analyseres i dagene op til den anden opsendelse. Eventuelle fejl rettes og justeringer foretages. Den anden stratosfæreballon opsendes, og dataene fra anden opsendelse sammenholdes med dataene fra første opsendelse. Tidsplan for Forsøg 2 Fase 2 – juni 2017 til oktober 2017 En projektbeskrivelse indsendes til ESA’s REXUS/BEXUS program under Experiment Proposals. Vælges forsøget til REXUS/BEXUS-programmet, udføres Forsøg 2, og antenner samt andet tilhørende udstyr indkøbes. Fase 3 – november 2017 til oktober 2018 I løbet denne periode vil der være forskellige workshops, træningsweekender, Design Reviews og Intregation Progress Reviews m.m. I slutningen af september og starten af oktober 2018 vil projektet sammen med andre eksperimenter fra andre deltagere blive sendt op med en stratosfæreballon, hvor ESA forestår opsendelsen. De forskellige stadier fremgår i (Bilag A7). 31/10/16 9/26 Thor Vestergaard Christiansen 3.l, Aarhus Katedralskole Delbudget for Forsøg 1 og Forsøg 2 Budgettet nedenfor er for præmiesummen fra Forskerspirekonkurrencen. Nedenstående priser for elektriske komponenter er referencepriser og kan variere ved køb og valutakurser. Hardware til forsøget Strømforsyninger (Effekt: 750 watt – vægt: Budget (Forsøg 1) Budget (Forsøg 2) Stk. 2 Pris (DKK) 7.400 Pris (DKK) 3.700 2 2.000 1.500 2 3.998 1.999 2 1.300 650 800 800 1,95 kg) Komponenter til elektriske kredsløb inklusiv udstyr - (Estimeret vægt: 0,15 kg) • Ledninger • HSMS-286x silicium-nikkel Schottky-dioder • Magnetron og attenuator • Kondensatorer • Induktionsspoler • Printkort • Micro-controller • Spændings- og effektmåler Kommunikationsudstyr, GPS-udstyr med tryksensor – 434Mhz MTX2 Radio transmitter (vægt: 0,06 kg) Computerenheder til datalagring af målinger (vægt: 0,045 kg) Lån af lodde-udstyr til kredsløb hos DTU (efter aftale) 500 Testudgifter ved opsendelsen fra DTU (efter aftale) Summeret Pris 31/10/16 15.998 kr. 10/26 8.649 kr. Thor Vestergaard Christiansen 3.l, Aarhus Katedralskole Samlet budget – Forsøg 1 Hardware til forsøget Pris (DKK) 2 stk. afsenderantenner (2,4 GHz Parabol antenne – vægt: 1,8 kg) 1.750 2 stk. modtagerantenner (2,4 GHz Parabol antenne – vægt: 1,8 kg) 1.750 2 stk. wire til stratosfæreballonerne - 3 meter (vægt: 0,15 kg) 59 Flaminco til indpakning (vægt: 0,1 kg) 400 Summeret Pris 3.959 kr. Samlet pris for Forsøg 1 19.957 kr. Forsøg 1 finansieres herudover med en egenbetaling på 8.000 kr., som bruges til at købe stratosfæreballonerne og Helium til stratosfæreballonerne. Budget for egenbetaling – Stratosfæreballonerne Pris (DKK) 2 stratosfæreballoner (maksbelastning 6 kg) 3.800 Helium til stratosfæreballonerne 4.000 Samlet pris for stratosfæreballonerne til Forsøg 1 7.800 kr. Samlet budget – Forsøg 2 Stratosfæreballonen og Helium er inkluderet i REXUS/BEXUS programmet. Egenbetalingen samt den anden del af præmiesummen fra Forskerspirekonkurrencen bruges på hardware og rejser til Esrange Space Center. Hardware til opsendelse på Esrange Space Center Pris (DKK) Afsenderantenne (5,8 GHz Parabol Antenne – vægt: 6 kg) 3.000 Modtagerantenne (5,8 GHz Parabol Antenne – vægt: 6 kg) 3.000 Special-line til ballon – 700 meter (vægt: 12,9 kg) 7.200 Flaminco til indpakning (vægt: 0,5 kg) 1.000 Rejseudgifter 5.000 31/10/16 11/26 Thor Vestergaard Christiansen 3.l, Aarhus Katedralskole Samlet pris for Forsøg 2 27.849 kr. Projektets anvendelsesmuligheder Yderligere forskning i trådløs overførsel af energi i rummet kunne også være interessant ift.: 1. SPS Systemer – Solcelleanlæg i geostationære kredsløb, der sender energi til jorden uden tab af energien ved transport gennem atmosfæren. 21 2. Opladning af Mars-rovere via en satellit i et stationært kredsløb. Effektiviteten af Marsrovers solpaneler falder dels i løbet af vinteren på Mars samt ved udsættelse for støvstorme. Med en trådløs energiforsyning kan Mars-rovere blive brugbare i ellers inaktive perioder. 3. Drift af målestationer/sensorer på jorden i ydre og ufremkommelige egne som Arktis, hvor det er svært at etablere en stabil strømforsyning. 4. SWIPT – Simultaneous Wireless Information and Power Transfer. Samtidig overførsel af energi og data mellem to enheder.5 31/10/16 12/26 Thor Vestergaard Christiansen 3.l, Aarhus Katedralskole Konklusion På baggrund af resultaterne fra eksperimentet, der tager udgangspunkt i ESA’s Rosetta-mission og simulerer forholdene under missionen, kan det vurderes, hvorvidt det er muligt at sende strøm trådløst via mikrobølger over større afstande i rummet, herunder mellem rumsonder og kometlandere. Ligeledes er det muligt at vurdere overførselseffektiviteten. Disse resultater kan bruges i forbindelse med design af nye rumsonder og kometlandere ved fremtidige undersøgelser af kometer. Dermed kan trådløs overførsel af energi blive en ny og/eller alternativ løsning på utilsigtede problemer med solceller, og et essentielt værktøj i den fremadrettede rumforskning. Endvidere kan resultaterne fra forsøget anvendes i en lang række andre sammenhænge, herunder ift. SPS systemer. Det skal dog påpeges, at resultaterne fra dette eksperiment selvfølgelig skal understøttes med yderligere eksperimentelle resultater. Men eksperimentet kan forhåbentlig øge den politiske-, økonomiske og forskningsmæssige opmærksomhed på området. Særligt tak til En stor tak for samarbejdet, råd og vejledning skal rettes til følgende forskere og kontaktpersoner, som har medvirket til virkeliggørelsen af dette projekt. - René Fléron, civilingeniør DTU Space - Kristoffer Leer, post. Doc. DTU Space - Hans Jensen, Chefingeniør, Terma, som leverede PCU’en til Rosetta. - Kjeld Bülow Thomsen, amatørradiooperatør - Sylvain Lodiot, Rosetta Spacecraft Operations Manager, ESA - Anna Hvarregaard Christensen, studerende - Rita Linnet, studerende 31/10/16 13/26 Thor Vestergaard Christiansen 3.l, Aarhus Katedralskole Litteraturliste 1. Jorda, L. et al. The global shape, density and rotation of Comet 67P/ChuryumovGerasimenko from preperihelion Rosetta/OSIRIS observations. Icarus. 277, pp. 257278 (2016) 2. Lu, X., Wang, P., Niyato D., Kim, I. D., Han, Z. Wireless Charging Technologies: Fundamentals, Standards, and Network Applications. IEEE Communications Surveys & Tutorials, Vol. 18, No. 2, pp. 1413-1452, Second Quarter 2016 3. Valenta, R. C. & Durgin, D. G. Harvesting Wireless Power: Survey of energy-harvester conversion efficiency in far-field, wireless power transfer sytems IEEE Microwave Mag., vol. 15, no. 4, pp. 108-120, June 2014 4. Devi, A. K. K., Norashidah, M. D., Chakrabarty, K. C. & Sadasivam S. Design of an RF – DC Conversion Circuit for Energy Harvesting IEEE International Conference on Electronics Design, Systems and Applications (ICEDSA) 2012 5. Lu, X., Wang, P., Niyato, D., Kim, I. D., Han, Z. Wireless Networks With RF Energy Harvesting: A Contemporary Survey, IEEE Communications Surveys & Tutorials, Vol. 17, No. 2, Second Quarter (2015) 6. Barnhard, P. G. & Faber, D. Space-to-Space Power Beamforming – An Evolving Commercial Mission to Unbundle Space Power Systems to Foster Space Applications. Published by the IAF, with permission and released to IAF to publish in all forms. 67th International Astronautical Congress (IAC), Guadalajara, Mexico, 26-30 September 2016, IAC-16,C3,2,1,x33022. 7. Wilson, J. Asteroid Redirect Mission. What Is NASA’s Asteroid Redirect Mission? National Aeronautics and Space Administration, NASA. Lokaliseret 20. oktober 2016 kl. 16.03 på <http://www.nasa.gov/content/what-is-nasa-s-asteroid-redirect-mission> 31/10/16 14/26 Thor Vestergaard Christiansen 3.l, Aarhus Katedralskole 8. Mahoney, E. Asteroid Redirect Mission. How Will NASA’s Asteroid Redirect Mission Help Humans Reach Mars? National Aeronautics and Space Administration, NASA. Lokaliseret 20. oktober 2016 kl. 15.51 på <http://www.nasa.gov/content/how-willnasas-asteroid-redirect-mission-help-humans-reach-mars> 9. Jasper, C., US Company takes first steps towards mining asteroids in space. ABC rural (2015, 28. Juli) Lokaliseret 23. oktober 2016 kl. 8:48 på <http://www.abc.net.au/news/2015-07-22/space-mining-planetary-resources/6638788> 10. Piotrowski, W. L., Huebner, W. F., Credland, J. D., Varsi, G. NASA Space Science Data Coordinated Archive – Rosetta. National Aeronautics and Space Administration, NASA. Lokaliseret 17. oktober 2016 kl. 17.51 på <http://nssdc.gsfc.nasa.gov/nmc/spacecraftDisplay.do?id=2004-006A> 11. Communicating from space: Gaining a grip on Antennas. European Space Agency, ESA. Lokaliseret 18. oktober 2016 kl. 15.19 på <http://www.esa.int/Our_Activities/Space_Science/Rosetta/Communicating_from_spac e_gaining_a_grip_on_antennas2> 12. Could acitivity on the comet’s surface damage or destroy the lander? Rosetta’s Frequently Aksed Questions. European Space Agency, ESA. Lokaliseret 16. oktober 2016 kl. 12.45 på <http://www.esa.int/Our_Activities/Space_Science/Rosetta/Frequently_asked_questions > 13. Rosetta Factsheet. European Space Agency, ESA (2016, 9. september). Lokaliseret 19. oktober 2016 kl. 19.45 på <www.esa.int/Our_Activities/Space_Science/Rosetta/Rosetta_factsheet> 14. Rosetta And Philae: One Year Since Landing On A Comet. European Space Agency ESA. Lokaliseret 22. september 2016 kl. 20.04 på <http://www.esa.int/Our_Activities/Space_Science/Rosetta/Rosetta_and_Philae_one_ye ar_since_landing_on_a_comet> 31/10/16 15/26 Thor Vestergaard Christiansen 3.l, Aarhus Katedralskole 15. Waiting for a signal from Philae. Rosetta Blog. European Space Agency, ESA. Report by the German Aerospace Center, DLR, Lokaliseret 22. september 2016 kl. 20.04 på <http://blogs.esa.int/rosetta/2015/03/10/waiting-for-a-signal-from-philae/> 16. Fantinati, C. & Geurts, K., Philae calling … Philae Blog, DLR Blogs, 18. September 2015. Lokaliseret 3. oktober 2016 kl. 20.27 på <www.dlr.de/blogs/en/home/philae/philae-calling.aspx> 17. Kunzendrof, M. ESA opgiver definitivt kometlander. DR Viden. Lokaliseret 2. september 2016 kl. 13.40 på <http://www.dr.dk/nyheder/viden/naturvidenskab/esa-opgiverdefinitivt-kometlander> 18. Giotto was sent spinning and nearly destroyed by a dust particle, and other missions like Stardust also encountered considerable high-speed dust. What is to prevent the same thing happening to Rosetta? Rosetta’s Frequently Aksed Questions. European Space Agency ESA. Lokaliseret 8. oktober 2016 kl. 18.15 på <http://www.esa.int/Our_Activities/Space_Science/Rosetta/Frequently_asked_questions > 19. Tornsberg, M. Aalborg-satellit på ballontur skal lytte efter skibe. Ingeniøren. Lokaliseret 9. september 2016 kl. 21.17 på <https://ing.dk/artikel/aalborg-satellit-pa-ballonturskal-lytte-efter-skibe-102982> 20. Larsen, N. Usædvanligt lave stratosfære temperaturer er med til at nedbryde ozon over Arktis Danmarks Meteorologiske Institut. Lokaliseret 21. oktober 2016 kl. 15.21 på <https://www.dmi.dk/nyheder/arkiv/nyheder-2016/februar/usaedvanligt-lavestratosfaere-temperaturer-er-med-til-at-nedbryde-ozon-over-arktis/> 21. Will Space-Based Solar Power Finally See the Light of Day?. Scientific American. Lokaliseret 21. oktober 2016 kl. 10.09 på <https://www.scientificamerican.com/article/will-space-based-solar-power-finally-seethe-light-of-day/> 31/10/16 16/26 Thor Vestergaard Christiansen 3.l, Aarhus Katedralskole 25. What to Expect. ESA REXUS/BEXUS. Lokaliseret 23. oktober 2016 kl. 9.07 på <http://rexusbexus.net/rexusbexus-programme/what-to-expect/> 26. Ackerman, E. Japan Demoes Wireless Power Transmission for Space-Based Solar Farms (2015, 16. marts). Lokaliseret 23. oktober 2016 kl. 10.46 på <http://spectrum.ieee.org/energywise/green-tech/solar/japan-demoes-wireless-powertransmission-for-spacebased-solar-farms> 31/10/16 17/26 Thor Vestergaard Christiansen 3.l, Aarhus Katedralskole Bilag A1: Rosettas geostationære kredsløbsbane omkring komet 67P/C Gravitationskraften fra komet 67P på Rosetta er bestemt ud fra formlen om massetiltrækning. Da Rosetta befinder sig i den samme position i forhold til kometen i hele kredsløbet, og da massen af komet 67P kan betragtes som samlet i et punkt (komet 67P’s samlede massemidtpunkt), beregnes tiltrækningskraften fra dette punkt. Dette er muligt, da komet 67P’s samlede massemidtpunkt ligger inden for en minimumsafstand af 30 meter fra forbindelseslinjen mellem 67P’s kerners massemidtpunkter. 𝐹𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡 = 𝐺 ∙ 𝑀67𝑃/𝐶−𝐺 ∙ 𝑀𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅 𝑟2 Massen af komet 67P er bestemt til at være: 𝑀67𝑃 = 9,982 ∙ 1012 𝑘𝑘1 Massen af Rosetta inklusiv brændstof men uden Philae: 𝑀𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅 = 2900 𝑘𝑔3 Gravitationskonstanten er naturligvis givet ved 𝐺 = 6,6726 ∙ 10−11 𝑁 ∙ 𝑚2 𝑘𝑔2 Dette må kunne sammenstilles med den resulterende kraft fra en cirkelbevægelse, hvor udtrykket er: 𝐹𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐 𝑀𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅 ∙ 4 ∙ 𝜋 2 ∙ 𝑟 = 𝑇2 Her må perioden T være lig med komet 67P’s egen rotation. Således må T være: 𝑇 = 12,305 𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡 = 44298 𝑠𝑠𝑠 Sammenstilles de to udtryk: 𝐹𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡 = 𝐹𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐 31/10/16 𝐺∙ 𝑀67𝑃 ∙ 𝑀𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑎 𝑀𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅 ∙ 4 ∙ 𝜋 2 ∙ 𝑟 = 𝑟2 𝑇2 18/26 Thor Vestergaard Christiansen 3.l, Aarhus Katedralskole 𝐺 ∙ 𝑀67𝑃 ∙ 𝑇 2 � = 𝑟 4 ∙ 𝜋2 3 Her må radius være givet ved: 3 � 6,6726 ∙ 10−11 𝑁 ∙ 𝑚2 𝑘𝑔2 ∙ 9,982 ∙ 1012 𝑘𝑘 ∙ (44298 𝑠𝑠𝑠)2 4 ∙ 𝜋2 Radius i kredsløbet er derved: 𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟 = 3211 𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 31/10/16 19/26 = 𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟 = 3211 𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 Thor Vestergaard Christiansen 3.l, Aarhus Katedralskole A2: Rosettas fart i kredsløbet omkring komet 67P Med en radius, som var 𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟 = 3211 𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 og en periode svarende til komet 67P’s egen rotati- on 𝑇 = 12,305 𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡 = 44298 𝑠𝑠𝑠 for det geostationære-kredsløb, skal Rosettas relative fart i forhold til komet 67P i kredsløbet omkring komet 67P være: 𝑣𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟 = => 𝑣𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟 = 2 ∙ 𝜋 ∙𝑟 𝑇 2 ∙ 𝜋 ∙ 3211 𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 𝑚 = 0,455 44298 𝑠𝑒𝑘 𝑠 A3: Udregning af Rosettas afstand til komet 67P Det ellipsoide center for komet 67P’s lille kerne ligger næsten det samme sted som massemidtpunktet for den lille kerne – beregnet ud fra SPC Shape Model. Den lille kernes massemidtpunkt ligger 1,59 km fra komet 67P’s samlede massemidtpunkt, og den gennemsnitlige radius for den lille kernes ellipsoide form er 1,10 km.i Dermed bliver Rosettas omtrentlige afstand til overfladen af den lille kerne: => 𝑑𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟−𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜 𝑎𝑓 𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙 𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘 = 𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟 − 1,59 𝑘𝑘 − 1,10 𝑘𝑘 𝑑𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟−𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜 𝑎𝑎 𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙 𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘 = 3211 𝑚 − 1590 𝑚 − 1100 𝑚 = 521 𝑚 31/10/16 20/26 Thor Vestergaard Christiansen 3.l, Aarhus Katedralskole A4: Blokdiagram for Afsenderboks – DC-RF-konvertering Egen tegning frit efter Valenta, R. C. et al. 2014: Figure 1.”A WPT system consists of an RF/microwave generator and transmit antenna(s) on the base station side. The RF-to-dc conversion piece of the system consists of one or many receive antennas, matching networks, rectifying circuits, and low-pass filters.” Blokdiagram over afsenderkredsløbet, hvor en strømforsyning leverer en jævnstrøm (DC), som konverteres til mikrobølger (RF) i Magnetronen. I Attenuatoren bliver mikrobølgernes amplitude reduceret, hvilket er med til at gøre impedans matchet mere præcist. 31/10/16 21/26 Thor Vestergaard Christiansen 3.l, Aarhus Katedralskole A5: Blokdiagram for Modtagerboks – RF-DC-konvertering Egen tegning frit efter Lu, X. et al. 2015: Fig. 3. ”A general architecture of an RF energy harvesting device” & efter Valenta, R. C. et al. 2014: Figure 1.”A WPT system consists of an RF/microwave generator and transmit antenna(s) on the base station side. The RF-to-dc conversion piece of the system consists of one or many receive antennas, matching networks, rectifying circuits, and low-pass filters.” Blokdiagram af modtagerboksen. Mikrobølgerne (RF) modtages af modtagerantennen, hvorefter det bliver matchet med konverteringskredsløbet via båndpas-filteret. Herudover sørger båndpas-filteret for, at oversvingninger genereret fra spændingsmultiplikatoren ikke bliver udstrålet til omgivelserne. Herefter sørger kondensatoren for jævnt og vedvarende at levere energi til modstanden. Effekten af modstanden samt modstandens spænding måles, og disse data lagres på en computer og sendes til basen på jorden.3 31/10/16 22/26 Thor Vestergaard Christiansen 3.l, Aarhus Katedralskole A6: Forsøgsopstilling På ovenstående billede ses en skitse af forsøgsopstillingen. Både Forsøg 1 og Forsøg 2 vil følge samme opstilling. De nummererede komponenter fremgår nedenfor: 1. Stratosfæreballon: Til forsøg benyttes en stratosfæreballon med en maksbelastning på 6 kg. Til Forsøg 2 benyttes en stratosfæreballon med en maksbelastning på 40-100 kg. 2. Afsenderboks: I afsenderboksen sidder en micro-controller til at styre strømforsyningen, 750-watt strømforsyningen og kredsløbet, der konverterer jævnstrøm DC til mikrobølger RF. 3. Modtagerboks: I modtagerboksen sidder kredsløbet, der konverterer de modtagne mikrobølger til jævnstrøm DC. Målingerne registreres af en computer, der gemmer data på et SDkort. En GPS-sender måler temperatur- og trykforhold. 31/10/16 23/26 Thor Vestergaard Christiansen 3.l, Aarhus Katedralskole 4. Afsenderantenne: Afsenderantennen sender mikrobølgerne afsted med en effekt 𝑃𝑇 5. Modtagerantenne: Modtagerantennen modtager mikrobølgerne med effekten 𝑃𝑟 6. Antenne til kommunikation: Dataene fra målingerne, GPS-position samt målinger af temperatur- og trykforhold sendes til jorden via en 434Mhz Radiometrix MTX” radio transmitter. 7. Wire mellem afsenderboks og modtagerboks: En stålwire forbinder afsenderboksen med modtagerboksen.. 8. Line til ballonen: En line forbinder stratosfæreballonen til afsenderboksen. 31/10/16 24/26 Thor Vestergaard Christiansen 3.l, Aarhus Katedralskole A7: Faser i ESA’s REXUS/BEXUS-program Stage 1 – Preliminary Design During this phase the experiment objectives will be fixed and a complete preliminary design will be produced. The experiment requirements should be defined in detail, along with a preliminary project and test plan. Stage 1 culminates in the Preliminary Design Review (PDR), which is held during the Student Training Week. Prior to the PDR, Version 1 of the SED should be submitted. This document will be used to assess the experiment design, and will form the basis of the review. Stage 2 – Critical Design By this stage the experiment design will have reached a high level of maturity. The experiment requirements should be fixed, and a detailed verification and test plan will have been drafted, along with a well thought out flight plan. Any recommendations or action items identified at PDR will have been addressed and documented. Stage 2 ends with the Critical Design Review (CDR). Again shortly before the CDR, Version 2 of the SED should be submitted for review. Upon successful completion of the CDR the experiment design will be frozen so that it can be manufactured and verified. Stage 3 – Experiment Building and Testing Six weeks after the CDR, Version 3 of the SED – containing a final experiment design, project plan and flight plan – should be submitted again prior to an Integration Progress Review (IPR). Following the submission, experts will visit each experiment team to ensure that integration is progressing smoothly, and that any major issues identified at CDR have been closed out. The manufactured experiment and/or individual subsystems should be tested thoroughly at this stage. Stage 4 – Final Experiment Preparations Shortly before the launch campaign, you will undergo an Experiment Acceptance Review (EAR) to ensure that the experiment is flight ready. Version 4 of the SED must be submitted with the results of this review before the experiment is integrated onto the rocket or balloon platforms. This document will contain all necessary information required by EuroLaunch for campaign operations. It should incorporate a complete description of the experiment design, as-built, along with the results of the test campaign, and detailed pre and post-flight procedures. 31/10/16 25/26 Thor Vestergaard Christiansen 3.l, Aarhus Katedralskole Stage 5 – Data Analysis and Reporting The fifth and last version of the SED will be submitted after completion of the launch campaign, as a final report. It will represent a complete account of the whole project, and will include all as-built design documentation. The post-flight analysis and results will also be included, along with a summary of all Lessons Learned. The completion of this final report will be required for all members to receive certification of participation in the REXUS/BEXUS programme. 31/10/16 25 26/26
© Copyright 2024